DE3785455T2

DE3785455T2 - Reaktorsystem fuer gefaehrliche abfaelle.

Info

Publication number: DE3785455T2
Application number: DE8787906003T
Authority: DE
Inventors: Randolph Galloway
Original assignee: Synthetica Technologies Inc
Current assignee: Synthetica Technologies Inc
Priority date: 1986-09-03
Filing date: 1987-09-02
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2007-09-03
Also published as: CA1286325C; AU7967287A; DK239688A; IL83728A; DE3785455D1; MX167809B; DK239688D0; EP0325596B1; NO881922L; AU604761B2; IN170401B; IL83728A0; CN87106273A; JPH01503763A; US4874587A; KR950013972B1; WO1988001711A1; EP0325596A4; KR880701853A; NO881922D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen den Abbau organischer Verbindungen, wie z.B. giftige Abfallstoffe. Im einzelnen betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein Reaktorsystem für den Abbau organischer Verbindungen.
Bei der Verarbeitung organischer Verbindungen, wie z.B. giftiger Abfälle, werden unterschiedliche Typen von Hochtemperaturreaktoren eingesetzt, um diese Stoffe in Verbindungen umzuwandeln, die zum Deponieren in der Umgebung besser akzeptabel sind bzw. in einigen Fällen auch wiederverwertet werden können. Die verschiedenen, in solchen Reaktoren angewandten Verfahren sind Pyrolyse, Thermolyse, Zersetzung, Abbau und Verbrennung.
Verfahren und Geräte zum Abbau organischer Verbindungen auf dem Stand der Technik sind mit einer ganzen Reihe signifikanter Probleme hinsichtlich sowohl der Verarbeitung als auch der strukturellen Aspekte der bestimmten eingesetzten Technologien behaftet. Zum Beispiel sehen viel Reaktorsysteme auf dem Stand der Technik eine verhältnismäßig kurze Verweilzeit der Reaktionsstoffe in der Reaktionszone vor. Deshalb wurde es bei solchen Reaktoren erforderlich, sehr hohe Temperaturen und/oder Drücke anzuwenden, um die zu verarbeitenden Stoffe voll zur Reaktion zu bringen. Hohe Temperaturen bringen viele Probleme für die Bestandteile dem Reaktors mit sich bringen, da diese bei den hohen Betriebstemperaturen geschwächt werden oder chemisch reagieren können. Ferner bedingen die Energieanforderungen in solchen Systemen oft verhältnismäßig hohe Betriebskosten.
Die Notwendigkeit der Verarbeitung großer Mengen organischen Materials hat bei Technologien auf dem Stand der Technik oft dazu geführt, daß sehr große Reaktorsysteme gebaut wurden. Die Kosten und der verhältnismäßig große Raumbedarf solcher Großreaktorsysteme haben sie für viele Anwendungen unerwünscht gemacht.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abbau organischer Verbindungen vor, das besteht aus:
Einleiten eines gasförmigen Gemischs aus organischen Verbindungen und Wasser in eine erste Reaktionszone mit einer Temperatur zwischen etwa 200 und 1400ºC,
Beaufschlagung organisch-adsorbierender Flächen mit dem gasförmigen Gemisch in der ersten Reaktionszone und Vorsehen eines Pfads, der das gasförmige Gemisch in dieser Zone in eine gewundene und hochturbulente Strömung zwingt,
Vorsehen einer Verweilzeit in dieser ersten Reaktionszone, die ausreicht, daß im wesentlichen alle organischen Verbindungen mit dem Wasser reagieren,
Einleiten des Abstroms aus dieser ersten Reaktionszone in eine zweite Reaktionszone mit einer Temperatur zwischen etwa 750 und 1820ºC,
wobei dieser Reaktionszone Wärme zugeführt wird, die somit auf einer höheren Temperatur als die erste Reaktionszone gehalten wird, und
Halten der Wassermenge in diesem gasförmigen Gemisch in jeder der Reaktionszonen zwischen stöchiometrisch 100% und 200%.
Dieses Verfahren sieht auch vor, daß diese erste Reaktionszone in mindestens zwei unterschiedliche Temperaturzonen unterteilt wird, einschließlich einer ersten Subzone mit einer Temperatur zwischen etwa 150ºC und etwa 1100ºC, und einer zweiten Subzone mit einer Temperatur zwischen etwa 1000ºC und etwa 1700ºC, wobei diese zweite Subzone heißer ist als dieser erste Subzone.
Vorzugsweise beträgt die Wassermenge im Gasgemisch stöchiometrisch etwa 131%.
Vorzugsweise beträgt das Hohlraumvolumen in dieser ersten Reaktionszone zwischen etwa 30% und etwa 90% des Gesamtvolumens dieser Zone.
Die bei liegenden Zeichnungen illustrieren die vorliegende Erfindung, in diesen sind:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Reaktorsystems, das die Erfindung beinhaltet;
Fig. 2 eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht des Reaktorsystems aus Fig. 1; und
Fig. 3 ist ein Graph, der einen typischen Satz Prozeßbedingungen beim Abbau einer repräsentativen Klasse organischer Verbindungen gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist ein Graph, der die Prozeßbedingungen und die Wirkung von Wasserzusatz während des Abbaus einer anderen Klasse von Verbindungen gemäß der Erfindung zeigt.
Ganz allgemein gesagt, baut die Erfindung organische Verbindungen ab durch Durchleiten eines Gemischs der organischen Verbindungen und Wasser in Gasform durch eine erste Reaktionszone. Die erste Reaktionszone (in der bevorzugten Ausführungsform ein gefalteter Ringraum) weist einen Temperaturbereich zwischen etwa 200ºC und 1400ºC auf. Die erste Reaktionszone sieht einen labyrinthartigen Pfad vor, der dem Gasgemisch organisch adsorbierende Flächen entgegenstellt, um in der ersten Reaktionszone eine Verweilzeit zu erzielen, die lang genug ist, im wesentlichen alle gasförmigen organischen Verbindungen mit dem Wasser zur Reaktion zu bringen. Der Abgasstrom aus der ersten Reaktionszone wird zu einer zweiten Reaktionszone geführt (in der bevorzugten Ausführungsform der Kern), der einen Temperaturbereich von etwa 750ºC bis etwa 1820ºC aufweist, um die im Abgasstom noch vorhandenen organischen Verbindungen abzubauen. Die Wassermenge wird so gesteuert, daß eine überstöchiometrische Menge in beiden Reaktionszonen vorhanden ist.
Gehen wir jetzt etwas genauer auf das erfindungsgemäße Verfahren ein; die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den meisten auf dem Stand der Technik angewandten Verfahren zum Abbau organischer Verbindungen. Anders als die meisten Techniken auf dem Stand der Technik setzt die vorliegende Erfindung zur Reaktion Wasser im überstöchiometrischen Verhältnis ein, um eine Zersetzungsreaktion der organischen Verbindungen mit dem Wasser zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu bewirken. Die meisten Reaktionen auf dem Stand der Technik gründen sich auf eine Verbrennungsreaktion in der Flamme, in der die organische Verbindung mit einem Brennstoff zum Verbrennen bei hohen Temperaturen in Luft (Sauerstoff) zur Bildung von Kohlendioxid und Wasser gemischt wird. Das Problem mit diesem letzteren Reaktionstyp ist, daß zusätzlich zu den erforderlichen hohen Temperaturen mit entsprechender Wärmeabfuhr bei der Reaktion auch unerwünschte Nebenreaktionen und Rekombinationen (Produkte unvollständiger Verbrennung oder PICS) auftreten können, wobei die Umwelt durch die Freisetzung toxischer Verbindungen mit dem Abgasstrom belastet werden kann.
Ein Vorzug des Reaktionstyps nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß die Reaktion endotherm ist. Das sorgt für Stabilität und Sicherheit, weil bei der Reaktion keine Wärme frei wird und daher die strukturellen Teile des Reaktors auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als bei einer exothermen Reaktion, wie z.B. bei der Verbrennung. Wunschgemäß kann die erfindungsgemäße Methode auch zusammen mit einer Oxidationsreaktion eingesetzt werden durch Zusatz von Luft und/oder Sauerstoff zum eingespeisten Gasgemisch. Durch Regeln dieser zugeführten Luftmenge läßt sich das Verfahren so steuern, daß es im wesentlichen thermisch neutral ist.
Die erste Reaktionszone, in die das Gasgemisch aus anorganischen Verbindungen und Wasser geführt wird, wird auf einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 200ºC und 1400ºC gehalten. Die untere Temperatur dieses Bereichs hängt ab von der Temperatur der Gase, wenn sie in die erste Reaktionszone eintreten. Die obere Temperatur dieses Bereichs hängt ab von der Reaktorstruktur selbst und der thermischen Gegebenheiten der Bauteile. Die erste Reaktionszone umfaßt einen Ringraum, der, wie noch erklärt wird, von seinem Inneren her geheizt wird, wobei die Wärmemenge, die von den Außenflächen der ersten Reaktionszone abgestrahlt und durch Konvektion übertragen wird, den Betriebstemperaturbereich beeinflußt. In der bevorzugten Ausführungsform besteht die erste Reaktionszone aus einem doppelten Ringraum, in dessen ersten Teil die Gase nach unten und dann im koaxial dazu angeordneten Innenteil wieder nach oben strömen.
Erfindungsgemäß weist die erste Reaktionszone einen Labyrinthpfad auf, in dem das durch den Labyrinthpfad strömende Gasgemisch organisch-adsorbierende Oberflächen beaufschlagt. Organisch-adsorbierende Oberflächen sind Oberflächen, die die organischen gasförmigen Verbindungen, die durch die erste Reaktionszone strömen, adsorbieren und somit ihre Durchströmrate verlangsamen und durch Zurückhalten dieser Verbindungen ihre Kinetik erhöhen, so daß sie in dieser Zone voll reagieren. Durch Benutzen eines Labyrinthpfads, d.i. eines stark gewundenen Pfads, der die ihn entlangströmenden Gase zu hohen Turbulenzen zwingt, werden diese hinreichend gemischt und somit haften auch die darin enthaltenen organischen Verbindungen mit Sicherheit an den adsorbierenden Flächen.
Erfindungsgemäß werden der Labyrinthpfad und die adsorbierenden Oberflächen so gewählt, daß sie in der ersten Reaktionszone hinreichende Temperatur, turbulentes Mischen und genügend Verweilzeit sicherstellen, so daß im wesentlichen alle organischen gasförmigen Verbindungen in dieser ersten Reaktionszone mit dem Wasser reagieren. Mit 'im wesentlichen alle organischen Verbindungen' ist gemeint, daß über 99%, und vorzugsweise noch über 99,99%, dieser Verbindungen reagieren sollen. Um eine hinreichende Turbulenz und Oberfläche zu schaffen, wird der Freiraum in der ersten Reaktionszone mit zwischen etwa 30% und etwa 90% des Gesamtraums der ersten Reaktionszone gewählt. Vorzugsweise beträgt der Freiraum etwa 5% des Gesamtvolumens. Wie nachstehend noch erklärt wird, sind der Freiraum und der gewundene Pfad durch die Auswahl der Partikelmaterie in einer geeigneten Form vorgesehen, so daß die obigen Merkmale erzeugt werden.
Um sicherzustellen, daß die Produkte in der ersten Reaktionszone im wesentlichen restlos reagieren, ist die Menge des dem Gasgemisch zugesetzten Wassers gleich oder höher als die stöchiometrische Menge. Diese Terminologie bedeutet, daß Mol für Mol die Wassermenge größer ist als erforderlich, um mit 100% der organischen Verbindungen im Gasgemisch zu reagieren. Die bevorzugte Menge liegt zwischen 100% und 200% der stöchiometrischen Menge, weil eine Wassermenge über 200% die Tendenz hat, die Betriebstemperaturen unerwünscht zu reduzieren. Der optimale Prozentsatz wurde mit 131% der stöchiometrischen Menge festgestellt, d.h. 31% über der stöchiometrischen Menge. Diese Wassermenge stellt die gewünschte wesentliche Reaktion der organischen Verbindungen unter CO&sub2;- Bildung in der ersten Reaktionszone sicher unter Beibehaltung der optimalen Temperatur.
Nach der Reaktion in der ersten Reaktionszone wird der Abstrom aus der ersten Reaktionszone zur weiteren Reaktion in eine zweite Reaktionszone eingespeist. Die Temperatur dieser zweiten Reaktionszone liegt mit einem Temperaturbereich zwischen etwa 750ºC und etwa 1820ºC höher als die der ersten.
In dieser zweiten Reaktionszone werden die verbleibenden organischen Verbindungen zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zersetzt. Wenn dem Gasgemisch Sauerstoff zugesetzt wird, gibt es als Reaktionsprodukte auch Wasser. Wie in der ersten Reaktionszone wird der Wassergehalt in der zweiten Reaktionszone so gesteuert, daß er in der zweiten Reaktionszone gleich oder höher als die stöchiometrische Menge ist. Die höhere Temperatur in der zweiten Reaktionszone zusammen mit dem verhältnismäßig niederen Pegel organischer Verbindungen, die in die zweite Reaktionszone einströmen, stellen sicher, daß die totale und komplette Reaktion der organischen Verbindungen mit einer Höhe von mindestens 99,99% und im typischen Fall noch viel höher stattfindet.
Um die komplette Reaktion noch weiter zu sichern, wird die Verweilzeit der Gase in der zweiten Reaktionszone der Verweilzeit in der ersten Reaktionszone in etwa gleich gemacht. Zu diesem Zweck kann der Strömungsquerschnitt der zweiten Reaktionszone wesentlich größer gemacht werden als der der ersten Reaktionszone, um auf diese Weise die Verweilzeit der strömenden Gase zu erhöhen. Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt der zweiten Reaktionszone etwa zweimal so groß wie der der ersten.
Erfindungsgemäß wird dem Reaktor Wärme direkt in die zweite Reaktionszone zugeführt. Die erste Reaktionszone ist ein Ringraum, der koaxial anschließend an die zweite Reaktionszone angeordnet ist und diese umgibt. Daraus folgt, daß die Wärme aus der zweiten Reaktionszone in die erste abstrahlt und in diese geführt wird, um diese erste Reaktionszone aufzuheizen.
Die Strömungsrate des in die erste Reaktionszone eingeführten Gasgemischs liegt vorzugsweise zwischen etwa 2 kg/min. und etwa 8 kg/min. Die genaue Strömungsrate der organischen Verbindungen im Vergleich zu Wasser und/oder Sauerstoff wird natürlich durch die Stöchiometrie der betroffenen chemischen Verbindungen bestimmt. Die Strömungsrate des in die erste Reaktionszone eingeführten Gasgemischs liegt vorzugsweise zwischen etwa 19 m³/min. und etwa 3,5 m³/min., je nach der betreffenden zu zersetzenden Verbindung. Typisch für eine gegebene Temperatur gilt, je größer das Molekül, desto länger ist die Reaktionszeit und desto höher ist die Temperatur, die zur Durchführung der gewünschten Reaktion benötigt wird.
In Fig. 1 wird eine typische Konfiguration eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems gezeigt. Im System nach Fig. 1 wird eine Reihe Metallfässer 11, 12, 13, 14 gezeigt, die ans System angeschlossen sind. Hier ist zu verstehen, daß das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit einem einzigen Faß oder Behälter oder Quelle für zu zersetzendes organisches Material, oder auch mit einer Vielzahl solcher Quellen eingesetzt werden kann. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist jedes Faß mittels einer bidirektionalen koaxialen Strömungsleitung 16, 17, 18 bzw. 19 mit den thermolytischen Entgifter verbunden, der nachstehend noch genauer beschrieben wird. Jede Leitung hat ein zentrales Rohr und ein äußeres Rohr mit ringförmigem Querschnitt, das sich koaxial und in gleicher Ausdehnung mit dem zentralen Rohr erstreckt. Das Einströmen in die betreffenden Fässer wird bewirkt durch Verbinder 21, während das Ausströmen aus den Fässern durch die Verbinder 23 erfolgt. Das Ausströmen aus den Fässern erfolgt durch die Innenrohre der koaxialen Leitungen 16-19, während der Zustrom des heißen Dampfes und der Gase in die Fässer durch den ringförmigen Querschnitt des äußeren Rohrs erfolgt. Eine Erweiterung 25 ist vorgesehen um das Außenrohr der koaxialen Leitungen 16, 17, 18, 19 an die Verbinder 21 anzuschließen. Die Innenrohre sind an die Verbinder 23 gekoppelt.
An den anderen Enden der Leitungen 16-19 von den Fässern 11- 14 sind die zentralen Rohre über eine Verlängerung 29 mit einer Speiseleitung 27 verbunden. Ein Rohr 31 ist aus den nachstehend genannten Gründen mit dem Außenrohr jeder der koaxialen Leitungen 16-19 verbunden. Ein in Ruhestellung geschlossenes Ventil 33 trennt die Speiseleitung 27 vom Rohr 31.
Zwecks Vergasung des Inhalts der Fässer 11-14 werden die Fässer durch ein beliebiges geeignetes Mittel aufgeheizt. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Widerstandsheizgerät mit einer Vielzahl vom Heizspulen 35 um das Faß 11 herum angeordnet gezeigt. Das Heizgerät 35, zusammen mit den zum Faß rückströmenden Heißgasen, erhöht die Temperatur des Faßinhalts auf die gewünschte Höhe. Ähnliche, nicht dargestellte Heizgeräte können für die anderen Fässer vorgesehen werden. Die Vergasung des Faßinhalts zusammen mit der Wirkung des nachstehend beschriebenen Turbinenbläsers bewirkt das Strömen des vergasten Inhalts durch das zentrale Rohr der Leitungen 16-19, durch die Erweiterung 29 zur Speiseleitung 27.
Dem vergasten Inhalt der Fässer 11-14 wird dann Wasser in der Form von Dampf im Gasstrom von und zu den Fässern zugesetzt. Dieser Dampf entsteht als Ergebnis eines Wasserzusatzes im Reaktorentgifter 45, wie nachstehend erklärt wird. Der so gebildete Dampf strömt zurück durch den äußeren Ringraum in den Leitungen 16-19, in Abhängigkeit davon, welches Faß gerade betrieben wird, in das Faß in den Raum über dem darin befindlichen organischen Material. In diesem Raum wird der Dampf mit dem vergasten organischen Material vermischt und strömt nach oben durch das zentrale Rohr der koaxialen Leitung 16, durch die Erweiterung 29 und die Leitung 27 und in den Reaktor bzw. thermolytischen Entgifter 45. Durch Benutzen der gezeigten koaxialen Leitungsanordnung, werden die Wände der zentralen Rohre, die die vergasten organischen Verbindungen aus dem Faß führen, heiß genug gehalten, um die Kondensation, Verrußung, Ausfällung und Kristallisierung zu verhüten, die das Rohr verstopfen könnten.
Die interne Struktur des thermolytischen Entgifters 45 wird nachstehend in Einzelheiten beschrieben. Der Abgasstrom aus dem thermolytischen Entgifter 45 strömt durch eine Ausgangsbaugruppe 47 in eine Leitung 49. Eine Sicherheitsberstscheibe 51, die so ausgelegt ist, daß sie bricht, sobald der Druck in der Leitung 49 eine vorgegebene Sicherheitshöhe überschreitet, ist in Rohr 53 eingelegt, das de Ausgang 47 und 5ein Entlüftungsrohr 55 verbindet. Das Rohr 49 verbindet den Ausgang 47 des thermolytischen Entgifters 45 mit dem Gas/Gas- Wärmeaustauscher 43. Die Ausgangsbaugruppe 47 kann einen internen (nicht dargestellten) Zyklon-Abscheider enthalten, um Feinstaub abzuscheiden, der aus dem thermolytischen Entgifter 45 transportiert wird.
Der Gas/Gas-Wärmeaustauscher 43 kann von jeder geeigneten Konstruktion sein, die dazu dient, Wärme von dem aus dem thermolytischen Entgifter 45 strömenden Gas auf das zur Leitung 40 strömende Gas zu übertragen. Nach dem Wärmeaustausch mit diesem Gas strömt der Abstrom aus dem Rohr 49 durch den Gas/Gas-Wärmetauscher 43 in eine Leitung 57, der zu einem Adsorptionsturm 59 einer geeigneten Konstruktion führt. Der Adsorptionsturm 59 enthält ein geeignetes Adsorptionsmaterial zum Adsorbieren restlicher Verunreinigungen, die durch die Leitung 57 strömen.
Eine Leitung 61 führt den Abstrom aus dem Adsorptionsturm 59 zu einem Turbinenbläser 63, der den Hauptantrieb für die Strömung im gezeigten System bildet. Der Ausgang des Turbinenbläsers 63 strömt durch eine Leitung 65 und durch ein Steuerventil 67 in den Gas/Gas-Wärmeaustauscher 43, wo er vom Gas aus dem Rohr 49 aufgeheizt wird. Ein in Ruhestellung geschlossenes Ventil 69 sieht eine Entlüftung des Ausgangs des Adsorptionsturms 59 durch den Turbinenbläser 63 über das Entlüftungsrohr 55 vor. Ein Druckmesser 71 ist zur Überwachung des Drucks im Adsorptionsturm 59 angeschlossen.
Um die erforderliche Wassermenge in den Reaktor einzuführen, ist eine Wasserzuleitung 41 vorgesehen, die eine Druckwasserquelle 37 mit einer Dampfeinlaßöffnung 44 am thermolytischen Entgifter 45 verbindet. Durch die Leitung 41 fließendes Wasser wird in den schraubenförmig gewickelten Bereichen 76 und 77 der Leitung 41 aufgeheizt, um Dampf zu bilden. Diese schraubenförmig gewickelten Bereiche liegen um die Leitungen 57 und 61, durch die der heiße Abstrom aus dem thermolytischen Entgifter 45 strömt. Weitere Wärme wird von dem durch die Leitung 41 fließenden Wasser in einer Vielzahl von schraubenförmigen Wicklungen 78 aufgenommen, die außen um den thermolytischen Entgifter 45 liegen. So ist das Wasser, wenn es durch die Einlaßöffnung 44 in den thermolytischen Entgifter 45 eintritt, bereits in der Form von überhitztem Dampf erwärmt und vermischt sich mit den Gasen, die über die Speiseleitung 27 in den thermolytischen Entgifter strömen.
Der Prozeß wird von einem geeigneten Steuerprozessor 73 gesteuert. Steuerprozessoren, die mit unterschiedlichen Rechnertypen eingesetzt werden, sind im Fachbereich bestens bekannt und daher wird der Steuerprozessor 73 nicht weiter beschrieben. Der Betrieb des Steuerprozessors 73 wird über einen geeigneten Rechnermonitor 75 mit Kontaktbildschirm gesteuert.
Beim Betrieb des Systems gemäß Fig. 1 ist jedes Faß 11-14 jeweils einzeln durch die entsprechenden Leitungen 16-19 mit dem System verbunden. Jedes Faß kann mit einem geeigneten Kennungssystem verbunden sein und eine geeignete, nicht gezeigte Sperrvorrichtung kann eingesetzt werden, damit ein Faß erst dann an das System angeschlossen werden kann, wenn sein Inhalt einem Steuerprozessor 73 eingegeben wurde und zur Weiterverarbeitung freigegeben ist.
Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 2; hier sind die besonderen internen Einzelheiten des Reaktors bzw. thermolytischen Entgifters 45 im Querschnitt gezeigt. Der thermolytische Entgifter 45 beinhaltet eine zylindrische Außenwand 73 aus einem Material, das bei den oben beschriebenen verhältnismäßig hohen Betriebstemperaturen genügend mechanische Festigkeit aufweist, daß der Rektor unbeschädigt bleibt. Bevorzugt werden zu diesem Zweck Rohre aus rostfreiem Stahl Typ 316-L als Werkstoff mit einer Dicke von vier bis acht Millimeter und mit einer Längs- d.h. axialen Abmessung des thermolytischen Entgifters von etwa 1,8 Meter Länge und mit einem Wandinnendurchmesser von etwa 43 Zentimeter. Am unteren Ende ist der Zersetzer bzw. Reaktor mit einer kreisrunden Platte 75 verschlossen, die an der zylindrischen Wand 73 mittels des Flansches 77, der sich von der Wand aus radial nach außen erstreckt, und mit geeigneten Montageschrauben 79 befestigt ist. Ein Flansch 81, ähnlich dem Flansch 77, ist am oberen Ende der zylindrischen Wand 73 vorgesehen und eine kreisrunde Platte 83 ist mit Schrauben 85 angeschraubt. Zwischen der Platte 83 und dem Flansch 81 und gesichert von den Schrauben 85 ist ein Montagering 87 eingelegt. Die Leitung 27 (Fig. 1) ist mit dem Inneren des thermolytischen Entgifters 45 durch eine Öffnung 89 verbunden, die am oberen Ende der zylindrischen Wand 73 angeordnet ist.
Sich vom Ring 87 aus, und vorzugsweise einstückig mit diesem, erstreckend befindet sich eine zylindrische Wand 91. Diese Wand erstreckt sich koaxial mit der Wand 73 vom Ring 87 aus etwa 20% der Länge der zylindrischen Wand 73. Zwischen der zylindrischen Wand 91 und der zylindrischen Wand 73 und koaxial dazu ist eine zylindrische Wand 93. Die zylindrische Wand 93 erstreckt sich innerhalb der zylindrischen Wand 73 nach unten und endet in einem bestimmten Abstand über der Platte 75, der zwischen etwa 5% und 10% der Gesamtlänge der zylindrischen Wand 73 beträgt. Vorzugsweise ist das Material des Rings 87, der Platten 75 und 83, der zylindrischen Wand 9l und der zylindrischen Wand 93 das gleiche wie das der zylindrischen Wand 73, d.i. rostfreie Stahlrohre Typ 316-L. Für einen 1,8 m langen thermolytischen Entgifter beträgt die Dicke dieser letzteren Elemente vorzugsweise etwa vier bis acht Millimeter bei einem Innendurchmesser von etwa 24 cm für die Wand 91, und 33,9 cm für die Wand 93.
Gelagert auf der Platte 75 und sich von dort aus nach oben erstreckend ist eine zylindrische Wand 95. Die zylindrische Wand 95 ist im wesentlichen durchmessergleich mit der zylindrischen Wand 91 und fluchtet axial mit dieser. Die zylindrische Wand 95 ist von einer Länge, daß sie einen bestimmten Abstand unter dem Ende der zylindrischen Wand 91 endet, so daß zwischen ihnen ein Raum von einer Höhe von etwa 5% bis etwa 10% der Gesamtlänge der zylindrischen Wand 73 bleibt. Vorzugsweise ist das Material, aus dem die zylindrische Wand 95 besteht, ein Keramikmaterial wie Aluminiumoxid oder ein Gemisch aus Aluminiumoxid und Titanoxid. Mullitrohre einer Wanddicke von etwa einem Zentimeter sind ein zufriedenstellendes Material für die zylindrische Wand 95 in einem Reaktor von etwa 1,8 m Länge und einem Innendurchmesser der Wand 93 von etwa 33,9 cm. Weitere geeignete Keramikmaterialien für die Rohre sind u.a. Vycor und Pyroceram .
Das Ergebnis der oben beschriebenen Anordnung ist eine zentrale Reaktionskammer 97, die von einer koaxialen Reaktionskammer 99 umgeben ist, wobei diese letztere in zwei Teilkammern, und zwar eine äußere Teilkammer 101 und eine innere Teilkammer 103, unterteilt ist. Gas, das durch die Öffnung 89 in den Reaktor strömt, kann durch den äußeren Ringraum 101 nach unten strömen, strömt dann durch den Spalt zwischen der Platte 75 und dem unteren Ende des Zylinders 93, durch den inneren Ringraum 103 nach oben, durch den Spalt zwischen dem oberen Ende der zylindrischen Wand 95 und dem unteren Ende der zylindrischen Wand 91, und durch die zentrale Reaktionskammer 97 nach unten, um durch die Öffnung 47 in der Platte 75 auszutreten.
Der Ringraum, d.h. die äußere koaxiale Reaktionskammer 99, bestehend aus den Teilkammern 101 und 103, ist im wesentlichen mit teilchenförmigem Keramikmaterial, das mit 105 bezeichnet wird, beschickt. Das Material wird so gewählt, daß es eine Größe und Konfiguration aufweist, die das Gas zwingen, einen labyrinthförmigen Weg durch den äußeren 105 und den inneren Ringraum 103 zurückzulegen. Zusätzlich werden die Konfiguration und die Größe des Materials so gewählt, daß der gewünschte Freiraum in dem vom Material eingenommenen Volumen gewahrt bleibt. Das Material ist in genügender Menge vorhanden, daß es sich bis zur Öffnung 89 erstreckt, und läßt somit einen ringförmigen Leerraum 107 oben im Ringraum 101, so daß sich die Strömung gleichmäßig verteilt. Auf ähnliche Weise erstreckt sich die Materialmenge im inneren Ringraum 103 nur eben bis unter die obere Kante der zylindrischen Wand 95 und läßt einen leeren Raum 109 am oberen Ende des inneren Ringraums 103 frei, dessen Zweck es ist, eine kühle obere Flanschplatte und elektrische Durchführungen beizubehalten. Das bevorzugt eingesetzte Keramikmaterial hat die Form von Raschig-Ringen mit 1,27x10&supmin;³m (1/2 Zoll) Durchmesser. Zulässig sind auch kugelförmige oder sonstwie geformte Partikel aus Aluminiumoxid. Auch diese Materialien bewirken eine Turbulenz und bieten dem Gasstrom einen große, heiße Oberfläche, um die chemische Kinetik zu verstärken und die Adsorption und damit die Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe in der Reaktionskammer zu verlängern. Das liefert die erwünschte Kinetik und Rückhaltezeit, um die oben beschriebenen Reaktionen ablaufen zu lassen.
Der thermolytische Entgifter 45 wird beheizt von einer Vielzahl gelängter, U-förmiger Haarnadelschleifen aus elektrischen Widerstands-Heizelementen 111. Die Heizelemente 111 erstrecken sich abwärts innerhalb der Reaktionskammer 97 um eine Strecke, die mindestens die Hälfte der Reaktionskammer beträgt. Die Heizelemente sind durch eine keramische Fassung 113 in der Platte 83 montiert. Diese Fassung 113 kann aus einem beliebigen geeigneten wärmebeständigen Isoliermaterial sein, wie z.B. Quarz, Aluminiumoxid, Molybdändisilicid, Lanthanchromit und Lanthandiborid. Die Energie für die elektrischen Heizelemente 111 wird über elektrische Durchführungen 115 eingespeist, die an der oberen Oberfläche der Platte 83 montiert sind. Gerade unterhalb der Fassung 113 ist eine Strahlungsabschirmung 116 angeordnet. Über den Heizelementen kann eine (nicht dargestellte) Metallhaube angeordnet sein, um für eine gute Abdichtung des Prozesses zu sorgen und Wärmeverluste weiter zu reduzieren.
Am Boden der Reaktionskammer 97 wird ein Volumen partikelförmiger Materie oder keramischer Struktur 117 angeordnet, die ähnlich oder auch identisch mit dem partikelförmigen Material 105 ist. Die Menge dieses Keramikmaterials nimmt etwa 5% bis 15% der Länge der Reaktionskammer 97 ein und berührt somit keinesfalls die Heizelemente 111. Die heißen Gase, die die Reaktionskammer 97 durch die Entlüftungsöffnung 47 verlassen, heizen das Keramikmaterial 117 auf. Diese zurückgehaltene Wärme wird zwecks größerer Heizwirksamkeit auf das Keramikmaterial am unteren Ende des Ringraums 99 übertragen und dient somit sowohl der Wärmerückgewinnung als auch dem gesteuerten Abschrecken des Gases. Die Wärme in der Kammer 97 heizt ferner den Zylinder 95 und wird in das keramische Partikelmaterial in der ringförmigen Reaktionszone 99 abgestrahlt und durch Wärmeleitung abgeleitet. Der Strömungsguerschnitt der zentralen Reaktionskammer ist etwa doppelt so groß wie der des Ringraums 101 und des Ringraums 103, um die gewünschte Verweilzeit vorzusehen.
Im Betrieb des thermolytischen Entgifters 45 wird das Gemisch aus gasförmigen organischen Verbindungen und Dampf (und möglicherweise auch Sauerstoff) durch die Einlaßöffnung 89 in den Reaktor eingespeist und strömt über das Material im äußeren Ringraum 101 nach unten und wieder zurück nach oben durch das Material im Ringraum 103. In diesem Bereich werden die Kohlenwasserstoffe an den heißen adsorbierenden Oberflächen des partikelförmigen Materials genügend lange Zeit zurückgehalten, um die oben beschriebene Reaktion ablaufen zu lassen. Zusätzlich liefert die Konfiguration der Partikelmaterie genügend Turbulenzen zum hinreichenden Durchmischen und um sicherzustellen, daß die organischen Verbindungen mit den Oberflächen und mit dem Dampf in Berührung kommen, um die Reaktion zu bewirken. Die Zersetzung der organischen Verbindungen beträgt mindestens etwa 99%, wenn das Gas durch den Spalt zwischen der zylinderförmigen Wand 91 und der zylinderförmigen Wand 95 in den zentralen Reaktor 97 einströmt. In der Reaktorkammer werden die Gase auf ihre höchste Temperatur aufgeheizt, was dann die Reaktion der organischen Verbindungen (zu mindestens 99,99%) vervollständigt, und so den verhältnismäßig unschädlichen Abgasstrom produziert. Der Abgasstrom strömt dann durch die Öffnung 47 aus, zur Weiterverarbeitung wie bereits oben beschrieben.
Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 3; hier handelt es sich um einen Graph, der die Temperaturveränderung innerhalb des Reaktors zeigt. Zusätzlich wird auch die Menge des im Quellenfaß gemessenen Kohlenmonoxids gezeigt. Alle gemessenen Parameter werden gegen die Zeit aufgetragen und gelten für einen organischen Abfall, der im wesentlichen ganz aus Cyclohexanon besteht.
Wie man sieht, verändert sich die Temperatur im Kern, d.h. in der Kammer 97 von einem Tiefstand von gerade unter 1600ºF (785ºC) zu einem Höchststand von etwa 1850ºF (1010ºC) . Die Temperaturen der Außenwand werden an drei verschiedenen Punkten gemessen, einem obenliegenden Punkt etwa in der Höhe des Spalts zwischen der Wand 95 und der Wand 109, einem untenliegenden Punkt nahe dem unteren Ende der Wand 93, und einem dazwischenliegenden Punkt etwa in der Mitte zwischen den beiden obigen Punkten. Schließlich sieht man, daß der Gehalt an Kohlenmonoxid kurz nach dem Einsetzen des Betriebs wesentlich zunimmt, wenn der Faßinhalt durch Aufheizen vergast wird. Dann fällt der Kohlenmonoxidgehalt schrittweise ab und wird nach etwas über 2 1/2 Stunden Bearbeitung schließlich Null. Durch Erfassen der Nullhöhe des Kohlenmonoxids läßt sich der Abschluß der Bearbeitung des Faßinhalts festlegen.
Die Zugabe von Überschußwasser senkt den Kohlenmonoxidgehalt wesentlich und erleichtert die Umweltkontrolle des abgeblasenen Gases. Fig. 4 zeigt, daß das Wasser einen prompten Effekt auf die Reduktion von Kohlenmonoxid hat. Die Skala auf der rechten Seite zeigt den prozentualen Kohlenmonoxidgehalt während sich die anderen Linien auf die Temperaturskala auf der linken Seite beziehen.

Beispiel I

Ein Gemisch aus gleichen Teilen C&sub8;H&sub1;&sub0; und CH&sub3;OH (Xylol und Methanol), das mit einer Rate von fünf 0,23m³ (55 Gallonen) Fässern täglich verarbeitet wurde, unter Beimischung von Wasser bei 131% stöchiometrisch, erzeugt eine Umwandlung zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu über 99,99% unter den folgenden Massenflußbedingungen (in kg/min.): Strom Lsg.Mittel Druck (kPa) Faß verdampf. Rückführung Zersetzer ein Zersetzer aus Turbine aus Warmetausch. aus Entlüft. Wasser ein Faß ein

Beispiel II

Ein Gemisch aus gleichen Teilen CH&sub3;OH und Cl&sub3;C-CH&sub3; und mit einer Rate von fünf Fässern/Tag wurden die folgenden Massenflußbedingungen in kg (lbs.) je Minute bestimmt. Eine stöchiometrische Menge Wasser wurde eingesetzt. Das Ergebnis war über 99,99% Umwandlung zu Kohlendioxid, Wasserstoff und Chlorwasserstoff: Strom Lsg.Mittel Vol.% HCl Faß verdampf. Rückführung Zersetzer ein Zersetzer aus Turbine aus Entlüft. Wasser ein ein Faß ein

Beispiel III

Für eine Gemisch aus Methanol und Xylol zu gleichen Teilen und einer Rate von fünf Fässern am Tag wurden die nachstehenden Bedingungen beobachtet für eine Umwandlung in Kohlenstoff und Wasserstoff zu 99,99%. Eingesetzt wurde eine stöchiometrische Menge Wasser. Strom H&sub2;O Lsg.Mittel Druck (x10&supmin;³)m (Zoll) Faß verdampf. Rückführung Zersetzer ein Zersetzer aus Turbine aus Entlüft. Wasser ein Faß ein
Wie man also sieht, bringt die Erfindung ein verbessertes Verfahren und Gerät zum Zersetzen organischer Verbindungen. Die organischen Verbindungen werden zu über 99,99% in Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser und Wasserstoff umgewandelt. Hohe Heizleistung wird erzielt mit einem hohen Durchsatz in einem verhältnismäßig kleinen Reaktor. Nebenreaktionen, die bei Flammenverbrennung auftreten und freie Radikale erzeugen, die die abgeführten Gase mit karzinogenen Stoffe belasten können, werden ausgeschaltet. Das System arbeitet im wesentlichen bei Atmosphärendruck ohne den Einsatz stark wartungsbedürftiger Kompressoren oder dickwandiger Hochdruckgefäße. Die abfallverwertenden Teile der Geräts werden mit Unterdruck betrieben, damit keine Abfallstoffe in die Umgebung entweichen können, falls es in den Leitungen oder im Gerät zu Undichtheiten kommt. Das ausgeblasene Gas kann als synthetischer Brennstoff, um in kleinen Gasmotoren oder -turbinen die Energie wiederzugewinnen, als Ausgangsstoff für die chemische Industrie oder als Boiler- oder Ofenbrennstoff verwertet werden.

Claims

1. Verfahren zum Abbau organischer Verbindungen, bestehend aus:

Einleiten eines gasförmigen Gemischs aus organischen Verbindungen und Wasser in einen ersten Reaktionsbereich mit einer Temperatur zwischen etwa 200 und 1400ºC, Beaufschlagung organisch-adsorbierender Flächen mit dem gasförmigen Gemisch im ersten Reaktionsbereich, und Vorsehen eines Pfads, der das gasförmige Gemisch in dieser Zone zu einem gewundenen und hochturbulenten Fluß zwingt,

Vorsehen einer Verweilzeit in diesem ersten Reaktionsbereich, die ausreicht, daß im wesentlichen alle organischen Verbindungen mit dem Wasser reagieren,

Einleiten des Abstroms aus diesem ersten Reaktionsbereich in einen zweiten Reaktionsbereich mit einer Temperatur zwischen etwa 750 und 1820ºC,

wobei diesem Reaktionsbereich Wärme zugeführt wird, der somit auf einer höheren Temperatur als der erste Reaktionsbereich gehalten wird, und

Halten der Wassermenge in diesem gasförmigen Gemisch in jedem der Reaktionsbereiche zwischen stöchiometrisch 100% und 200%.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei dieser erste Reaktionsbereich innerhalb mindestens zweier unterschiedlichen Temperaturbereiche gehalten wird einschließlich eines ersten Unterbereichs mit einer Temperatur zwischen etwa 150ºC und etwa 1100ºC, und eines zweiten Unterbereichs mit einer Temperatur zwischen etwa 1000ºC und etwa 1700ºC, wobei dieser zweite Unterbereich heißer ist als dieser erste Unterbereich.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Wassermenge in diesem gasförmigen Gemisch stöchiometrisch etwa 131% beträgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Leerraum in diesem ersten Reaktionsbereich zwischen etwa 30% und etwa 90% des Gesamtvolumens dieses Bereichs beträgt.