DE69002082T2

DE69002082T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von ausgegrabenen Deponiematerialien in einem plasmabeheizten Kupolofen.

Info

Publication number: DE69002082T2
Application number: DE90304492T
Authority: DE
Inventors: Shyam Vasant Dighe; David Michael Rohaus; Robert Jules Steffen; Raymond Francis Taylor
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1989-04-27
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2010-04-27
Also published as: US4998486A; EP0395397B1; JPH02298717A; JP3012665B2; EP0395397A2; CA2013591A1; DE69002082D1; EP0395397A3

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung von ausgegrabenen Landfüllmaterialien, so daß gefährliche und toxische Materialien, die in ihnen enthalten sind, entweder zerstört oder sicher gemacht werden.
Landverfüllungen sind in der Vergangenheit Sammelstellen für eine große Varietät von weggeworfenen Objekten und Materialien gewesen. Einige enthalten erhebliche Mengen von toxischen und gefährlichen Chemikalien, deren Säuberung durch behördliche Bestimmungen erforderlich ist. Bedenklich sind beispielsweise Materialien, die Schwermetalle enthalten, wie Blei, Nickel oder Chrom, oder toxische Halogene enthaltene Chemikalien, wie beipielsweise polychlorinierte Biphenyle (PCB).
Aus Bequemlichkeitsgründen werden ausgegrabene Landfüllmaterialien im folgenden als ELM bezeichnet (ELM = excavated landfill material)
Verbrennungsprozesse sind verwendet oder vorgeschlagen worden, um das ELM durch Verbrennen zu behandeln, zusammen mit anderen verbrennbaren Materialien, typischerweise städtische Abfälle. Derartige Verbrennungsprozesse sind möglich, können aber große Strömungsraten von potentiell schädlichen Materialien umfassen, und die sich als Endprodukt ergebene Verbrennungsasche mag umfeldmäßig nicht harmlos sein; ein Potential zum Auswaschen von toxischen Schwermetallen mag noch immer existieren.
Eine Art von System zur Behandlung von ELM ist ein Pyrolysator wie derjenige, der in der US-Patentanmeldung Serien Nr. 027,775 offenbart worden ist. Ein derartiger Pyrolysator erzeugt vitröse, d. h. glasartige Materialien durch elektrisches Erhitzen in einer Kammer, die in einer im wesentlichen geschlossenen oder pyrolytischen Weise betrieben wird. Ein derartiges System verbraucht hohe Energiekosten, die zu minimieren wünschenswert ist. Es ist jedoch erfolgreich in der Erzeugung von vitrifizierten Materialien, in denen Schwermetalle in der Glasmatrix der Schlacke eingefangen werden können.
Ein mit Plasma befeuerter Kupolofen ist ein bekanntes Gerät, das bereits für derartige Zwecke, wie Metallwiedergewinnung offenbart worden ist, siehe die US-Patentbeschreibungen 4,530,101, Dighe et al., "Plasma Fired Cupola and Innovation in Iron Foundry Melting", AFS transaction paper, 1986; US-Patente Nr. 4,761,793, 4,780,132, 4,769,065, 4,828,607, 4,853,033 und 4,778,556.
In der US-A-4,780,132 wird ein Verfahren zum Betreiben eines plasma-befeuerten Kupolofens offenbart, bei dem eine Charge aus Abfallmetall mit Koks und einem Flußmaterial behandelt wird, während die Gasströmungsrate innerhalb des Kupolofens gesteuert wird, um zu verhindern, daß Metallabschnitte von der Gasströmung aufgenommen werden. Eine derartige Offenbarung richtet sich nicht auf den Wunsch, ein Landfüllmaterial zu behandeln, das verschiedene Bestandteile enthält, einschließlich flüchtige toxischen und gefährlichen Materialien in einer solchen Weise, daß neben anderen Vorteilen, die flüchtigen Materialien zerstört werden.
Kupolöfen, die nicht plasme-befeuert sind, sind gegenwärtig bekannt für Metall- und Mineralschmelzungen, die einen Schaft mit Koks und Durchblasluft verwenden, manchmal angereichert mit Sauerstoff, durch Blasrohre oder Düsen hindurch nahe dem Boden. Diese Einheiten erfordern derartige Mengen von Luft, daß feine Teilchen von geladenem Material und selbst, in einigen Fällen, von vitrifiziertem Material aufwärts geblasen werden können. Zusätzlich erreichen sie normalerweise nur maximale Temperaturen von etwa 3000ºF.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirksame und ökonomische Behandlung von ausgegrabenem Landfüllmaterial (ELM) zu liefern, welches toxische und gefährliche Materialien enthält. In diesem Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein plasma-befeuerter Kupolofen zur Behandlung von ELM benutzt. Der Kupolofen ist ein vertikaler Schaft mit einer Auslaßtür nahe seinem oberen Ende. Eine Plasmaflamme wird vorgesehen und angeordnet in einem Blasrohr nahe dem Boden des Kupolofenss und die Plasmafackel besitzt eine Zufuhrdüse. Die Plasmafackel wird elektrisch erregt und erzeugt ein Plasma aus Luft. Luft wird durch die Düse zugeführt und auf eine hohe Temperatur durch die Plasmafackel erhitzt und in den Kupolofen geliefert.
Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Prozeß für die Behandlung von ausgegrabenem Landfüllmaterial, kontaminiert mit toxischen und gefährlichen Substanzen, bestehend aus einem plasma-befeuerten Kupolofen, der einen vertikalen Kupolschaft mit einer oben angeordnetem Zufuhrtür und einem Plasmabrenner, angeordnet nahe dem Boden des Kupolofens, aufweist, Erhitzen von Luft auf eine hohe Temperatur mit Hilfe des Plasmabrenners und Liefern der erhitzten Luft in den Kupolofen, Bilden eines Bettes von kohlenstoffartigem Brennstoff in dem Kupolofen, erhitzt zur Verbrennung durch die erhitzte Luft, Liefern von Material, das verarbeitet werden soll, und reaktive Stoffe durch die Zufuhrtür für den Kupolofen, wobei die reaktiven Stoffe zusätzlichen kohlenstoffartigen Brennstoff umfassen, einschließlich Koks und Kohle, Schmelzen des Materials in dem Kupolofen zur Bildung einer vitrösen Schlacke, Anzapfen des Kupolofens zur Herausnahme der vitrösen Schlacke, und der vitrösen Schlacke aus dem Kupolofen ermöglichen, abzukühlen und nicht gefährliches festes Material zu bilden, wobei der Koks in dem kohlenstoffartigen Brennstoff ein Brennstoffbett liefert, mit einen wesentlichen Grad von Porosität für das Material in dem Kupolofen, um eine Gasströmung hindurch zu ermöglichen, und Solidität zur Stützung zusätzlich zugefügten Materials zu geben, und in welchem das Versorgen von Material und von reaktiven Mitteln in einer solchen Weise durchgeführt wird, um separate oder unterscheidbare Schichten von Material und reaktiven Mitteln zu liefern; dadurch gekennzeichnet, daß das zu verarbeitende Material ausgegrabenes Landfüllmaterial umfaßt und daß das Verfahren weiterhin das Abziehen von Abgasen von dem Kupolofen zu einem Nachbrenner zur Zerstörung von irgendwelchen flüchtigen toxischen und gefährlichen Materialien, die in dem Abgas enthalten sind, einschließt.
Die Erfindung umfaßt auch ein plasma-befeuertes Kupolsystem, angeordnet zur Behandlung von ausgegrabenen Landfüllmaterial, bestehend aus einem vertikalen Schaft, einer Zufuhrtür angeordnet im oberen Teil des Schaftes, einem Blasrohr nahe dem Boden des Schaftes, zumindest einem Plasmabrenner und einer Manteldüse, angeordnet kolinar mit dem Blasrohr, Luftzufuhrleitungen in den Plasmabrenner bzw. die Manteldüse hinein, Einrichtungen zur Energieversorgung des Brenners und zum Reduzieren eines Plasma der darin gelieferten Luft, die dann Luft erhitzt, die in der Düse geliefert wird, ein Bett von Kohlenstoffbrennstoff, charakterisiert durch zumindest etwa 25% Koks in dem Schaft, der sich von dem Boden dieses Schaftes bis zu einer Höhe nahe dem und oberhalb des Blasrohrs erstreckt, um so dem Material in dem Kupolofen ein Ausmaß von Porosität zu geben, wobei der Schaft eine Charge vom Material auf dem Bett von Kohlenstoffbrennstoff enthält, welches Chargenmaterial aus zu verarbeitendem Material besteht, aus zusätzlichen Kohlenstoffbrennstoff und einem Flußmittel, wobei der Schaft einen Schnabel an seinem untersten Bereich zur Abgabe von geschmolzener Schlacke und aus dem Chargenmaterial erzeugten Metall aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß das zu verarbeitende Material ausgegrabenes Landfüllmaterial umfaßt und der Schaft eine Nachbrennkammer an seinem obersten Bereich aufweist, mit einem darin enthaltenen Schornsteinentzünder, wobei das Chargenmaterial auf dem Bett von Kohlenstoffbrennstoff Abgase erzeugt, die in dem Nachbrenner verbrannt werden.
Bequemerweise wird bei Beginn des Betriebs des Systems der Kupolofen teilweise mit einem kohlenstoffartigen Brennstoff gefüllt, wie beispielsweise Koks oder einer Mischung von Koks und Kohle, die angezündet wird. Wenn eine ausreichende Betriebstemperatur erreicht ist, wird das Chargenmaterial durch die Zufuhrtür zugeführt. Das ELM wird normalerweise zusammen mit reaktiven Mitteln wie zusätzlichem Koks, und einem Flußmittel, wie beispielsweise Kalkstein, zugeführt.
Die Bedingungen werden aufrechterhalten, um das ELM in dem Kupolofen zu schmelzen, um eine vitröse Schlacke zu bilden. Zusätzlich wird Metall, das mit dem ELM geliefert wird, wie beispielsweise Eisen und Kupfer geschmolzen und wird sich von der Schlacke gravimetrisch trennen. Der Koks reduziert die Oxide derartiger Metalle, um das Metall selbst zu liefern. Der Kupolofen wird angezapft, um die vitröse Schlacke und das geschmolzene Teil abzuziehen.
Den Abgasen des Kupolofens wird ermöglicht, bis zu einem Nachbrenner anzusteigen, der oberhalb des Kupolofens zur Zerstörung von irgendwelchen toxischen und gefährlichen Materialien angeordnet ist, welche in den Abgasen enthalten sind. Der vitrösen Schlacke von dem Kupolofen wird ermöglicht, abzukühlen und ein nicht-gefährliches festes Material zu erzeugen, von dem Schwermetalle, wie Chrom, Blei und Nickel, die als Oxide auftreten, im wesentlichen nicht auswaschbar sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise etwa 6% der Charge Brennstoff. Der Brennstoff ist ausreichend, um alle die Verbrennungsgase für den Nachbrenner zu liefern, in denen PCB's oder dgl. verbrannt werden.
Eine Beschichtungstechnik wird für das in den Kupolofen durch das Zufuhrtor gelieferte Material angewendet. D. h., eine bestimmte Schicht von Brennstoff wird zwischen Schichten von Kalkstein, ELM oder Mischungen davon angeordnet. Die Schichtungen helfen dabei, den Rückdruck des Systems zu reduzieren. Die Gasströmungsrate wird auf einen niedrigeren Pegel reduziert als die, die für Gießschmelzen verwendet wird, wie beispielsweise etwa 0,6 Kubikfuß pro Minute pro Quadratzoll Kupolofenquerschnitt, verglichen mit etwa 0,9 Kubikfuß pro Minute. Weiterhin ist die Menge von Kalkstein, die geliefert wird, einstellbar, um die Basizität der Schlacke zu optimieren, um eine gewünschte Strömungsrate zu erreichen.
Die Erfindung wird nunmehr mit Hilfe eines Beispieles mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei
Fig. 1 eine schematische Diagrammdarstellung des Beispiels eines plasma-befeuerten Kupolofens ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Schnabelteils des plasma-befeuerten Kupolofens der Fig. 1;
Fig. 3 ein plasma-befeuerter Kupolofen mit einer Recyclierungsschleife für erzeugte Gase; und
Fig. 4 ein modifizierter plasma-befeuerter Kupolofen in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 erläutert einen plasma-befeuerten Kupolofen 10, der viele gemeinsame Aspekte besitzt zu dem Apparat, wie er für das Eisenhüttenschmelzen und Recyclieren von Stahlkarkassenreifen verwendet wird. Der Kupolofen selbst ist ein vertikaler Schaft 12 mit einer wärmefesten Auskleidung 13. In dem vertikal nach oben reichenden Teil des Kupolofens 12 ist eine Zufuhrtür 14 zum Zuführen von ausgegrabenem Landfüllmaterial (ELM) wie auch von reaktiven Mitteln wie kohlenstoffartigem Brennstoff angeordnet, der aus Koks bestehen kann, oder aus einer Mischung von Koks und Kohle, normalerweise das letztere, und einem Flußmittel, wie beispielsweise Kalkstein. Luft tritt ebenfalls durch die Zufuhrtür 14 ein.
Nahe dem Boden des Kupolofens 12 sind Plasmabrenner 16 angeordnet, jeder innerhalb eines Blasrohrs 17, das sich in den Kupolofen hineinerstreckt und eine Manteldüse 18 besitzt. Jeder Brenner 16 wird mit einem Gas wie Luft durch eine Leitung 16a versorgt, die in einem Lichtbogen zwischen erregten, im Abstand angeordneten Elektroden eingeführt wird, um ionisiert zu werden und ein Plasma zu bilden. Gebläseluft tritt tangential gerade vor dem Brenner 16 durch eine Leitung 18a und durch Düse 18 ein. Die Gebläseluft wird zu dem Plasma hinzugefügt und erhitzt und tritt dann in den Kupolofen 12 in seinem erhitzten Zustand ein. Die durch die Leitung 18a eintretende Luft kann bei Umgebungstemperatur sein oder bis auf eine Temperatur von etwa 1200ºF vorerhitzt sein.
Oberhalb des Kupolofens 12 ist eine Nachbrennkammer 20 angeordnet, in die die Abgase von dem Kupolofen 12 steigen. Der Nachbrenner ist mit einem Schornsteinzünder 22 versehen, aber es ist nicht notwendig, zusätzlich zu den Abgasen selbst Brennstoff zuzuführen.
Das ELM kann direkt in die Zufuhrtür 14 eingeführt werden, wie beispielsweise durch Verwendung eines Kippkübels, getragen von einem Kippaufzug7 oder durch ein Zufuhrband. Das ELM braucht nicht zu irgendeinem wesentlichen Ausmaß vorbearbeitet zu werden, was die Größenanpassung oder Trocknung anlangt, und es wird im allgemeinen auf einer Basis wie empfangen benutzt. Der Durchmesser des Kupolofenschaftes ist so groß, daß er die größte Größe von ELM akzeptiert, die beispielsweise ein Maschinenblock oder ein Kühlschrank sein mag. In anderer Hinsicht ist es natürlich geeignet, wenn gewünscht, das ELM einer Vorbehandlung durch einen Schredder oder dgl. zu unterziehen, um so die Größe der einzelnen Stücke zu reduzieren; vorzugsweise ist der Kupolofen so konstruiert, daß dies nicht notwendig ist. Eine ökonomische Mischung von Koks und Kohle wird auch in den Kippkübel eingeführt, der dann angehoben und in das Zufuhrtür mit Hilfe eines Kippaufzuges geleert wird.
Im allgemeinen ist Koks der vorzuziehende Brennstoff und das Reduziermittel wird hier als ein solches bezeichnet. Im Gegensatz zur Kohle liefert es eine festere Stütze für die anderen festen Materialien, die in einer Charge hinzugefügt werden, und stellt eine ausreichende Gasströmung sicher. Aus ökonomischen Gründen können variierende Mengen von Kohle mit dem Koks gemischt werden. Im allgemeinen sollte der Brennstoff zumindest etwa 25% Koks enthalten.
Beim Starten wird der Kupolofen 12 mit Koks bis zu mehreren Zoll oberhalb der Düsenreihe 17 geführt. Das Koksbett 30 wird durch plasma-erhitzte Luft entzündet, die am Boden des Kupolofens durch das Blasrohr 17 zugeführt wird. Wenn das Koksbett brennt und die Kupolofenwand ausreichend erhitzt ist, wird das Chargenmaterial, bestehend aus ELM, Koks (welches einige Kohle enthalten kann) und das Flußmittel durch die Zufuhrtür zugeführt. Dieser Systemstart nimmt normalerweise etwa 2 bis 3 Stunden in Anspruch. Der Koks, abgesehen davon, daß er die Energie für die Verbrennung liefert, liefert auch eine poröse Matrix innerhalb des Kupolofenschaftes, so daß das ELM keine Matte bildet und eine Verstopfung verursacht. Auch Liefern sowohl Kohle wie Koks Kohlenmonoxid zu dem Abgas, welches bei Entzündung in dem Nachbrenner vollständig die PCB's zerstört. Kein zusätzlicher Brennstoff ist erforderlich, um in dem Nachbrenner 20 Hitze zu liefern. Wenn jedoch ein Brennstoff wie Erdgas leicht erhältlich und ökonomisch ist, kann es verbrannt werden, um Hitze zu liefern und eine entsprechende Reduktion der Menge des Kokses in dem Kupolofen zu ermöglichen.
Das ELM wird, während es den Kupolofenschaft 12 nach unten wandert, zuerst durch die heißen Gase erhitzt, die von der Schmelzzone am Boden des Kupolofens aufsteigen. Diese Gegenstromwärmeaustausch ist einer der Hauptgründe für die Energiewirksamkeit des plasma-befeuerten Kupolofens. Die PCB's werden von dem ELM verdampft und treten aus dem Kupolofen zusammen mit den anderen Abgasen aus, typischerweise CO, CO&sub2;, N&sub2;.
Die oberen Gase steigen zu der Nachbrennereinheit 20 auf, wo sie mit der Verbrennungsluft gemischt werden, die durch das Zufuhrtor 14 eintritt, und werden durch den Schornsteinzünder 22 entzündet, um eine ausreichende Temperatur zur Zerstörung der PCB's zu erzeugen. Das Standarderfordernis ist das, das derartige Materialien auf eine Temperatur von zumindest etwa 2200ºF für eine Zeitdauer von zumindest etwa 2 Sekunden erhitzt werden, und diese Bedingung können in dem gegenwärtigen Prozess ausreichend und leicht erfüllt werden.
Beim Abwärtswandern in den Kupolofenschaft 12 betritt das ELM die Schmelzzone (im Koksbett 30 nahe dem und oberhalb des Blasrohrs 17), wo die Temperaturen in dem Bereich von etwa 3000ºF bis etwa 4500ºF sind. Alle Bestandteile des ELM schmelzen bei diesen Temperaturen und bilden eine vitröse Schlacke plus dem metallischen Teil des ELM, das ebenfalls schmilzt.
Die Temperatur und die Chemie der Schmelzzone werden gesteuert (durch gelieferte Luft und gelieferten Koks), um die gewünschte Betriebsweise zu erreichen. Im allgemeinen werden die meisten Oxide, z. B. Eisen und Kupfer reduziert, um das Metall selbst in einem geschmolzenen Zustand zu liefern. Die schweren Metalloxide von Metallen wie Chrom und Nickel können möglicherweise nicht reduziert werden, sondern werden statt dessen in der Schlacke gelöst. Einige Metalle, wie beispielsweise Zink und Blei werden beispielsweise von ihren Oxiden reduziert und die Metalle verdampft. Solche letztgenannten Metalle werden in dem Nachbrenner 20 reoxidiert und werden von dem Nachbrennerauslaß gesammelt.
Die Plasmabrennerleistung ist vorzugsweise angepaßt, so daß Silika (SiO&sub2;), enthalten innerhalb des ELM reduziert wird, um Silizium zu erzeugen. Das Silizium löst sich in dem geschmolzenem Metall und bildet, mit geschmolzenem Eisen, eine nützliche und wertvolle eisenhaltige Legierung, die auf dem Gießereimarkt verkauft werden kann. Das vitrifizierte ELM und das Metall wird fortlaufend durch einen Schnabel 24 am Boden des Kupolofens abgezapft, unter Verwendung einer Anordnung aus einem Abstreifer 24a und einem Damm 24b. Der geschmolzene Strom aus dem Schnabel 24 ist etwa 25000 bis 2800ºF. Die Schlacke wird von dem Metall durch diese Anordnung getrennt, um Blöcke von Schlacke und Metallbarren zu erzeugen.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Schnabels 24. Geschmolzene Schlacke 40 und geschmolzenes Metall 42 sammeln sich an dem Boden des Kupolofenschaftes 12. Auf der Außenseite des Kupolofens wird die leichtere Schlacke 40' durch einen Abstreifer 24a zurückgehalten und abgezogen.
Das schwerere Metall fließt unterhalb des Abstreifers 24a und über den Damm 24b in irgendeine Form, die es sammelt. In den Fällen, wo Flugasche oder dgl. in der Schlacke injiziert ist, würde es in die Schlacke 40' eingeführt sein.
Die Gase, die den Nachbrenner 20 verlassen, können an die Atmosphäre abgegeben werden, vorzugsweise nur nach einem Hindurchgehen durch einen Wäscher oder eine andere Luftverschmutzungssteuerungsausrüstung mit Sammlung von Flugasche.
Gemäß einer optionalen Form der Erfindung werden die heißen Verbrennungsgase, die den Nachbrenner 20 verlassen, zu einem Rekuperator geschickt, um die Gebläseluft und auch die Verbrennungsluft für den Nachbrenner vorzuheizen. Entsprechend einer anderen optionalen Form der Erfindung werden die heißen Gase von dem Nachbrenner zu einem Erhitzer geschickt, um Dampf zu erzeugen, der für Prozessanforderungen benutzt werden kann, oder um Energie zu erzeugen.
Noch eine andere Variation ist, feinem Abfallmaterial, wie beispielsweise Flugasche von dem Nachbrenner 20 oder anderswo her, wie beispielsweise Hilfserhitzer und Verbrenner, durch die Düse 18 zu führen, installiert in dem Blasrohrbereich in der Basis des Kupolofens. Behälter 18b und Leitung 18c sind für diesen Zweck dargestellt. Dieses Material wird simultan vitrifiziert, zusammen mit dem ELM zur bequemen Beseitigung. Zusätzlich oder alternativ können Flugasche, die beispielsweise Oxide von Blei oder Zink enthalten, direkt in die geschmolzene Schlacke am Boden des Kupolofens 12 nahe dem Schnabel 24 oder in dem Schnabel selbst eingegeben werden, bevor das Material sich verfestigt. Dies hilft, sicherzustellen, daß derartige Oxide in der Schlacke für eine sichere Beseitigung gelöst werden.
Zwar wird das Gerät zum Zwecke zur Behandlung von ELM verwendet, es ist jedoch auch möglich, andere Abfallmaterialien, sowohl verbrennbare wie auch nicht brennbare, durch die Zufuhrtür hinzuzufügen. Der plasma-befeuerte Kupolofen ist ein flexibles Gerät, geeignet für Verwendung mit einem weiten Bereich von Versorgungszusammensetzungen.
Der mit einer Charge von ELM gelieferte Brennstoff liefert Kohlenstoff zur Erzeugung ausreichender Mengen von Kohlenmonoxid, um als der Brennstoff in dem Nachbrenner 20 für gesicherte Zerstörung von PCB's und dgl. zu dienen. Für diesen Zweck wird es vorgezogen, daß der Kohlenstoffbrennstoff (Koks) in der Charge etwa 6% oder mehr, gewichtsmäßig, des Prozessmaterials, das in den Kupolofen geliefert wird, ausmacht.
Es wurde als wünschenswert für das ELM, den Koks und andere kohlenstoffartige Brennstoffe, und den Kalkstein oder anderes Flußmittel gefunden, daß es in Schichten angeordnet wird, statt in dem Kupolofen gemischt wird, um den Rückdruck zu reduzieren. Beispielsweise kann nach der anfänglichen Startoperation mit Koks 30, geliefert in den Kupolofen, eine erste Schicht von ELM 32 in den Kupolofen geliefert werden, gefolgt von einer Koksschicht 33, dann einer Kalksteinschicht 34, gefolgt von einer Koksschicht 35. Dann kann die Folge wiederholt werden bis nahe der Zufuhrtür 14. Eine Koksschicht trennt Schichten von ELM und Kalksteinmaterialien, die, wenn gewünscht, in einer einzigen Schicht miteinander gemischt sein können.
Für verbesserten Betrieb des plasma-befeuerten Kupolofens zur Behandlung von ELM wird die Höhe des Koks- (oder Kohlenstoffbrennstoff)-bettes gut reguliert. Die anfängliche Kokscharge 30 füllt den Kupolofen bis zu einer Höhe oberhalb des Blasrohres 17 (im wesentlichen ein hohles Rohr), durch welches die Blasluft, erhitzt durch den Brenner 60, den Kupolofen betritt. Eine Höhe von etwa 5 Zoll bis etwa 10 Zoll oberhalb der Oberseite des Blasrohres 17 wird normalerweise vorgezogen, um ein gewünschtes Verhältnis von CO zu CO&sub2; zu geben.
Größere Tiefen, im Bereich von bis zu etwa 3 Fuß oberhalb des Blasrohres 17 für die Charge 30 sind geeignet, wenn es die Absicht ist, eine größere Menge von CO für die Verwendung als Brennstoff in dem Nachbrenner 20 erzeugen. Der Prozeß, der auftritt, ist der, daß Blasluft den Kupolofen betritt und mit dem Koks in einer exothermen Reaktion reagiert, um im wesentlichen CO&sub2; u bilden. Das CO&sub2;, wenn es den reduzierenden Effekten von weiterem Koks in einer relativ größeren Tiefe von Koks ausgesetzt wird, reagiert, um CO in einer endothermen Reaktion zu bilden: CO&sub2; --> 2CO, genannt die Boudard- Reaktion. Daher umfassen die zur Verfügung stehenden Wahlmöglichkeiten den Betrieb in einem Bereich zur Maximierung der in dem Koksbett erzeugten Hitze durch Verwendung einer Kokscharge, die ausreicht für hohe CO&sub2;-Abgasproduktion zur Maximierung des in dem Nachbrenner zur Verfügung stehenden CO durch Verwendung einer erhöhten Koksmenge.
Die anfängliche Koksbetthöhe wird aufrechterhalten, mit normalen Variationen auf und ab um diese Höhe des Chargenmaterials.
Es ist geeignet und wird vorgezogen, einen Bereich zu verwenden, der von etwa 6% bis etwa 25% Kohlenstoff tragenden Brennstoff reicht, und von etwa 10% bis etwa 45% Kalkstein, relativ zu der Gesamtcharge von in den Kupolofen gelieferten Material. Das Koks-Verhältnis, die Blasrate und die Brennerleistung werden angepaßt basierend auf Schmelzratenerfordernis, so daß das CO/CO&sub2;-Molarverhältnis in dem oberen Gas im Bereich von 0,2 bis 0,3 liegt.
Die Menge des Kalksteins ist vorzugsweise angepaßt für optimale Basizität zur Erlangung von guten Flußeigenschaften in der Schlacke bei den moderaten Temperaturen, die leicht erreicht werden. Basizität wird definiert als das Verhältnis:
Bei einem Wert unterhalb von etwa 0,3 ist die Schlacke hoch-viskos und fließt langsam. Oberhalb von etwa 0,7 ist die Schlacke sehr bröckelig, so daß sie weniger gut als eine Umkapselung von gefährlichen Materialien, die in ihr enthalten sein mag, dient. Daher wird es vorgezogen, eine Basizität innerhalb des Breiches von etwa 0,3 bis ungefähr 0,7 zu haben.
Die Gasströmungsrate (durch 18 hindurch) wird reduziert auf einen noch niedrigeren Wert als im Falle von Gießschmelzen für die Schlackenabschlämmung in der Schmelzzone. Die Fließrate in dem Kupolofen ist etwa 0,5 Kubikfuß pro Minute (pro Quadratzoll Kupolofenquerschnitt) oder weniger und vorzugsweise etwa 0,2 bis etwa 1,0.
In Fig. 3 ist das System von Fig. 1 dargestellt, mit dem Zusatz einer Rückführungsschleife 50, die einen Zuglüfter 52 zum Recyclieren einiges des Abgases von dem Kupolofen 12 zurück zu der Brennerdüse 18 umfaßt, die Rückführungsschleife 50 umfaßt auch eine Falle 54 für Teilchen (Flugasche), die durch den Behälter 18b zurückinjiziert werden kann, oder die in die Schlacke injiziert werden kann, zusätzlich zu anderen Formen von Beseitigung.
Die Rückführungsschleife 50 ist eine Möglichkeit, die günstiger ist, wenn das ELM relativ große Mengen von Oxiden von wertvollen Metallen enthält, die wiedergewonnen werden sollen. Oxide in der Charge neigen dazu, durch den Kohlenstoffbrennstoff reduziert zu werden, wenn jedoch Überschußluft vorhanden ist, neigt die Reaktion dazu, sich umzukehren und die Metalloxide zu reformieren. Um eine stärker reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, kann man einiges von CO und N abziehen und es dazu bringen, in die Düse zurückzukehren, um die relative Menge von Sauerstoff zu erniedrigen. Typischerweise sind die Gase, die aus dem Kupolofen austreten, bei etwa 800ºF und treten in ihn bei etwa 200ºF wieder ein. Die zurückgeführten Abgase helfen bei der Förderung der Reduktionsreaktion, während sie die Verwendung von weniger Koks erlauben, als sie notwendig sein könnte, wenn auf diese allein gebaut werden würde, um für den Sauerstoff in der Blasluft Sorge zu tragen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variation, bezeichnet als einen plasma-befeuerten Kupolofen mit einem "Unterchargenabzug". Verglichen mit Fig. 1 ist die Oberseite des Kupolofens 12 so geändert, daß der Nachbrenner 20 Abgase von einem Punkt unterhalb der Chargenhöhe erhält. Eine Lüfter- und Luftverschmutzungssteuerungsausrüstung, nicht dargestellt, würde hinter dem Nachbrenner vorgesehen sein.
In Fig. 4 ist an der Oberseite eine Zufuhrtür 14' vorgesehen, die den Lufteintritt minimiert. Die Tür 14' wird durch ein Aufzugkabel 60 gehalten, das in der geschlossenen Postition die Tür 14' gegen den Türrahmen 62 hält. Eine Charge 64 von Material wird an der oberen Oberfläche der Tür zugeführt. Wenn die Tür abgesenkt wird, betritt das Material den Kupolofen und wird Teil der Charge 64' , die sich hinauferstreckt vorbei an der Gasabnahme. Die Tür 14' kann schnell geschlossen werden, um so eine hoch-reduzierende Atmosphäre aufrechtzuerhalten.
Die Tabelle unten gibt Beispiele für repräsentative ELM-Zusammensetzungen und andere Bedingungen für deren Behandlung in dem plasma-befeuerten Kupolofen, im wesentlichen in Übereinstimmung mit Fig. 1 (zum Beispiel). Beispiel I wurde tatsächlich durchgeführt und verifiziert, um das Material in einem Strom von Schlacke auf einem Strom von Metall zu verarbeiten, im wesentlichen eine Eisenlegierung, die etwa 4% Silizium enthält. Die Abgase erzeugten Nachbrennertemperaturen oberhalb von 2200ºF. BEISPIELE Item ELM Chargenmischung (Gew%) Glas % Stahl % Ziegel % Beton % Steine % Asche % Ton % Holz % Industrielle elek. Hardware % Kupfer % Reifen % Kohlenstoffartiger Brennstoff (% der ELM-Charge) Koks % Kohle % Kalkstein (% der ELM-Charge) Blasrate Scf/min/t/hr Blasrate Scf/min/in²cupola Brennerleistung Kw/ton/hr Co/CO2 - Verhältnis

Claims

1 . Ein Prozeß zur Behandlung von ausgegrabenem Landfüllmaterial, kontaminiert mit toxischen und gefährlichen Substanzen, umfassend einen plasma-befeuerten Kupolofen, der einen vertikalen Kupolschaft mit einer oben angeordnetem Chargentür und einem Plasmabrenner, angeordnet nahe dem Boden des Kupolofens, aufweist, Erhitzen von Luft auf eine hohe Temperatur durch den Plasmabrenner und Liefern der erhitzten Luft in den Kupolofen, Bilden eines Bettes von kohlenstoffartigem Brennstoff in dem Kupolofen, erhitzt zur Verbrennung durch die erhitzte Luft, Liefern von Material, das verarbeitet werden soll, und reaktive Mittel durch die Chargentür des Kupolofens, wobei die reaktiven Mittel zusätzlichen kohlenstoffartigen Brennstoff, einschließlich Koks und Kohle, umfassen, Schmelzen des Materials in dem Kupolofen zur Bildung einer vitrösen Schlacke, Abziehen des Kupolofens, um die vitröse Schlacke herauszunehmen, der vitrösen Schlacke aus dem Kupolofen ermöglichen, abzukühlen und ein nicht gefährliches festes Material zu erzeugen, wobei der Koks in dem kohlenstoffartigen Brennstoff ein Brennstoffbett mit einem wesentlichen Maß an Porosität für das Material in dem Kupolofen liefert, um eine Gasströmung hindurch sowie Solidität zur Stützung von zusätzlich zugefügtem Material zu ermöglichen, und in welchem die Versorgung von Material und reaktiven Mitteln in einer solchen Weise durchgeführt wird, um getrennte oder unterschiedliche Schichten vom Material und reaktiven Mitteln zu liefern; gekennzeichnet durch zu verarbeitendes Material, bestehend aus ausgegrabenem Landfüllmaterial, und daß der Prozeß weiterhin das Abziehen von Abgasen von dem Kupolofen zu einem Nachbrenner zur Zerstörung von irgendwelchen flüchtigen toxischen und gefährlichen Materialien, die in den Abgasen enthalten sind, umfaßt.

2. Ein Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Brennstoff zur Bildung von Kohlenmonoxid führt, ausreichend, um den Nachbrenner mit Brennstoff zu versorgen, so daß der Nachbrenner eine Temperatur erreicht, ausreichend um die Abgase einer Temperatur von zumindest etwa 2200ºF auszusetzen für eine Zeit von zumindest etwa 2 Sekunden zur ausreichenden Zerstörung von irgendwelchen darin enthaltenen PCB's.

3. Ein Prozeß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktiven Mittel weiterhin ein Flußmittel umfassen, in welchem ein wesentlicher Teil des gelieferten Flußmittels Kalkstein ist.

4. Ein Prozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner ausreichend erhitzte Luft in den Kupolofen liefert, um eine Schmelzzone zu erzeugen, die eine Temperatur im Bereich von zumindest 3000ºF bis 4000ºF besitzt.

5.. Ein Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzen des ausgegrabenen Landfüllmaterials eingeschmolzenes Metall zusätzlich zu der vitrösen Schlacke bildet, wobei das ausgegrabene Landfüllmaterial eine oder mehrere Siliziumverbindungen enthält, die innerhalb des Kupolofens reduziert werden, um Silizium zu liefern, gelöst in dem geschmolzenem Metall, wodurch eine Eisen-Silizium-Legierung gebildet wird.

6. Ein Prozeß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß weiterhin das Anzapfen des Kupolofens umfaßt, um geschmolzenes Metall und vitröse Schlacke davon abzuleiten, wobei der Kupolofen einen Schnabel mit einem Abstreifer und einem Damm für ein derartiges Abziehen aufweist.

7. Ein Prozeß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Verbrennungsgase, die den Nachbrenner verlassen, einem Wärmeaustauscher zugeführt werden, um eine Flüssigkeit zu erhitzen, welche in dem Prozeß zur Behandlung von ausgegrabenem Landfüllmaterial oder für andere Zwecke verwendet wird.

8. Ein Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu erhitzter Blasluft ein feines Abfallmaterial in den Kupolofen eingeführt wird und in dem Kupolofen zusammen mit dem ausgegrabenem Landfüllmateril vitrifiziert wird.

9. Ein Prozeß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Abfallmaterial durch die Zufuhrtür des Kupolofens zusätzlich zu dem Landfüllmaterial und dem reaktiven Mittel geliefert wird.

10. Ein Prozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich kohlenstoffartige Brennstoff, geliefert zusammen mit dem ausgegrabenem Landfüllmaterial, in einer Menge von zumindest 6% der Gesamtcharge ist, um einen ausreichenden Kohlenstoff zu liefern, um Kohlenmonoxid zu erzeugen, verwendet als Brennstoff in dem Nachbrenner.

11 . Ein Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Mittel Koks und Kalkstein umfaßt, welches zusammen mit Landfüllmaterial geliefert wird, um alternierende und unterschiedliche Schichten von den Materialien in einer vorbestimmten Aufeinanderfolge zu liefern, so daß eine Schicht von Koks vorgesehen wird, um Schichten der anderen Materialien zu trennen.

12. Ein Prozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung in dem Kupolofen gesteuert wird zu einer Höhe von etwa 0,6 Kubikfuß pro Minute oder weniger.

13. Ein Prozeß nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gelieferte Menge des Flußmittels gesteuert wird, um eine Basizität in der vitrifizierten Schlacke von etwa 0,3 bis etwa 0,7 zu erzeugen.

14. Ein Prozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ein heißes Bett von Kohlenstoffbrennstoff in dem Kupolofen bis zu einer Höhe oberhalb und nahe eines Blasrohrs, von dem plasma-erhitzte Luft in den Kupolofen eintritt, um eine Schmelzzone nahe der Oberseite des heißen Bettes zu bilden, bei einem Temperaturbereich von 3000ºF bis 4500ºF, und Kohlenmonoxid zu erzeugen, Zuführen einer Charge von ausgegrabenem Landfüllmaterial, Flußmittel und zusätzlichen Kohlenstoffbrennstoff auf das heiße Bett, um Material zu entwickeln, das an der Schmelzzonentemperatur verdampft, einschließlich irgendwelchen darin enthaltenden PCB's, um die Verbindungen von einem oder mehreren Metallen der Gruppe von Eisen, Kupfer, Zink und Blei zu reduzieren, und Verbindungen von irgendwelchen Metallen der Gruppe von Chrom und Nickel zu reduzieren, und um geschmolzenes Metall und vitröse Schlacke zu erzeugen.

15. Ein Prozeß nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß den entwickelten Dämpfen und dem Kohlenmonoxid erlaubt wird, zu einem Nachbrenner aufzusteigen, wo Bedingungen eine Verbrennung und eine Aussetzung der Dämpfe einer Temperatur von zumindest etwa 2200ºF für eine Zeitdauer von zumindest etwa 2 Sekunden erzeugen.

16. Ein Prozeß nach Anspruch 14, wobei das geschmolzene Metall ein Metall umfaßt, das aus der Reduktion von Verbindungen von Metallen aus der Gruppe einschließlich Eisen und Kupfer resultiert.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Reduktion von Verbindungen von Metallen von der Gruppe bestehend aus Zink, Kadium und Blei in der Schmelzzone zu der Verdampfung derartiger Metalle führt, welche mit anderen entwickelten Dämpfen und Kohlenmonoxid zu einem Nachbrenner aufsteigen, wo die Oxide dieser Metalle gebildet und nachfolgend gesammelt werden.

18. Ein plasma-befeuertes Kupolofensystem, angeordnet zur Behandlung von ausgegrabenem Landfüllmaterial, bestehend aus einem vertikalen Schaft, einer an dem oberen Teil des Schaftes angeordneten Zufuhrtür, einem Blasrohr nahe dem Boden des Schaftes, zumindest einem Plasmabrenner und einer Manteldüse, angeordnet kolinear mit dem Blasrohr, Luftzufuhrleitungen in den Plasmabrenner bzw. die Manteldüse, Einrichtungen zur Erregung des Brenners und zur Reduzierung eines Plasmas von darin enthaltener Luft, die dann Luft erhitzt, welche in der Düse geliefert wird, einem Bett von Kohlenstoffbrennstoff, gekennzeichnet durch zumindest etwa 25% Koks in dem Schaft, der sich von dem Boden davon bis zu einer Höhe nahe und oberhalb der Blasdüse erstreckt, um so ein Ausmaß von Porosität zu dem Material in dem Kupolofen zu liefern, wobei der Schaft ein Chargenmaterial auf dem Bett von Kohlenstoffbrennstoff enthält, wobei das Chargenmaterial Material umfaßt, das zu verarbeiten ist, zusätzlich Kohlenstoffbrennstoff, und ein Flußmittel, wobei der Schaft einen Schnabel an seinem untersten Bereich zur Lieferung von geschmolzener Schlacke und erzeugten Metall von dem Chargenmaterial besitzt; dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das verarbeitet werden soll, ausgegrabenes Landfüllmaterial umfaßt, und daß der Schaft eine Nachbrennkammer in seinem obersten Bereich mit einem Schornsteinzünder darin aufweist, wobei das Chargenmaterial auf dem Bett von Kohlenstoffbrennstoff Abgase erzeugt, die in dem Nachbrenner verbrannt werden.