DE4015785A1 - Elektrischer schmelzofen zum verglasen von abfall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schmelzofen zum Verglasen von Abfall unter Einsatz von Joule′scher Wärme und insbesondere einen derartigen elektrischen Schmelzofen, der mit Elektroden wenigstens in der Mitte des Innenraumes einer Schmelzwanne und an den Seitenwänden versehen ist.

Ein derartiger Schmelzofen wird zum Verglasen von verschiedenen Arten von industriellem Abfall eingesetzt, insbesondere zum Verglasen von hochradioaktivem flüssigem Abfall.

Bei einem bekannten elektrischen Schmelzofen dieser Art besteht der Ofenkörper und die Schmelzwanne aus hitzebeständigen Steinen und es sind an den Seitenwänden in der Schmelzwanne ein Paar oder mehrere Paare von Elektroden aus einem hitzebeständigen Metall (Legierung) oder einem metallischen Oxid vorgesehen.

An das schmelzflüssige Glas in der Schmelzwanne wird über die Elektroden unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des geschmolzenen Glases elektrischer Strom angelegt, um Joule′sche Wärme zu erzeugen, die das geschmolzene Glas aufheizt. Wenn radioaktiver, flüssiger Abfall und Glaszusätze vom oberen Abschnitt des Schmelzofens auf die Oberfläche des geschmolzenen Glases im Ofen gegeben werden, werden diese mit dem geschmolzenen Glas erhitzt, um sie durch einen Schritt der Temperaturerhöhung, einen Verdampfungsschritt und einen Kalzinierungs- bzw. Röstschritt in schmelzflüssiges Glas umzuwandeln.

Die Beständigkeit der den Schmelzofen bildenden hitzebeständigen Steine und des Materials der Elektroden hängt von der Temperatur des schmelzflüssigen Glases ab, das mit diesen Materialien in Berührung kommt. Dementsprechend ist es erwünscht, die Temperaturverteilung des schmelzflüssigen Glases im Ofen gleichförmig zu halten. Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Konfigurationen von Elektroden in Abhängigkeit von der Form des Ofens und der Menge des zu verarbeitenden Abfalls versuchsweise angewendet.

In den letzten Jahren ergab die Behandlung von hochradioaktivem flüssigem Abfall das Problem, daß ein abnormer Temperaturanstieg im unteren Teil des Ofens und eine Abnahme der Kapazität der Abfallbehandlung auftritt. Dies ist auf folgendes zurückzuführen. Die Elemente der Platin-Gruppe, wie Ruthenium, Palladium und Rhodium, die in hochradioaktivem flüssigem Abfall enthalten sind, bilden elektrisch leitende Substanzen, die im schmelzflüssigen Glas schwierig gelöst werden können und sich am Boden des Ofens absetzen. Da der zwischen den Elektroden fließende elektrische Strom sich auf diese leitende Ablagerung konzentriert, wird die in der Glasschmelze erzeugte Joule′sche Wärme nicht ausreichend an die Oberfläche des schmelzflüssigen Glases über der leitenden Ablagerung weitergegeben.

Beispielsweise wird berichtet, daß dann, wenn die leitenden Substanzen einen elektrischen Widerstand haben, der ¹/₃ mal so hoch ist wie der von regulärem Glas und aus Elementen der Platin-Gruppe bestehen, und 5 cm hoch am Ofenboden abgelagert sind, die elektrischen Eigenschaften der Glasschmelze so verändert werden, daß der Glasdurchsatz von 30 kg/h auf 20 kg/h abnimmt (Horst Wiese, "Industrial Vitrification of High Level Liquid Waste with The PAMERA Plant in Belgium" in Proceedings of the International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management SPECTRUM ′88, abgehalten in Pasco, Washington, USA am 11. bis 15. September 1988, S. 76).

Es wird auch berichtet, daß die Ergebnisse verschiedener Experimente, die unter Verwendung eines Schmelzofens im Labormaßstab mit einem geneigten Ofenboden durchgeführt wurden, zeigen, daß ein Ofenboden mit einem Neigungswinkel von 45° die leitende Ablagerung aus Elementen der Platin- Gruppe wirksam abführt, und weiter wird berichtet, daß dieser Effekt auch durch Versuchsergebnisse bestätigt wird, die unter Verwendung eines industriellen Schmelzofens mit einem Ofenboden von gleichem Neigungswinkel durchgeführt wurden (Shin-ichiro Torata, "Development of Glass Melter for PNC Tokai Vitrification Facility" in der gleichen Veröffentlichung, S. 82).

In einem herkömmlichen Schmelzofen ist aber zu erwarten, daß eine geringe Menge der leitenden Substanzen am Boden oder auf schrägen Flächen des Glasschmelzofens sich ablagern, trotzdem der Ofenboden geneigt ist. In einem solchen Fall ist es möglich, daß die oben genannten Phänomene, d. h. elektrische Abnormalität oder Abnahme der Behandlungskapazität, auftreten. Derartige Nachteile ergeben sich, weil der zwischen den Seitenelektroden fließende elektrische Strom die Versorgungsquelle des Heizstroms im konventionellen Schmelzofen bildet und der elektrische Strom notwendigerweise von einer Seitenelektrode zu der anderen über die leitende Ablagerung auf der einen geneigten Fläche, die leitende Ablagerung auf dem Ofenboden und die leitende Ablagerung auf der anderen geneigten Fläche fließt. Dementsprechend wird abnorme Wärme in der Nähe des Ofenbodens erzeugt und die Heizstromdichte im oberen Teil der Glasschmelze nimmt ab. Dies verursacht eine Abnahme der Verarbeitungskapazität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schmelzofen zum Verglasen von industriellem Abfall so auszubilden, daß keine elektrischen Störungen auftreten und eine Abnahme der Behandlungskapazität selbst dann vermieden wird, wenn der zu verglasende Abfall Elemente der Platin-Gruppe enthält.

Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Schmelzofen zum Verglasen von Abfall vorgesehen, der eine Schmelzwanne mit Wänden aus hitzebeständigem Stein umfaßt. Die Schmelzwanne ist am oberen Abschnitt mit einer Beschickungsöffnung für Glaszusätze und zu verarbeitenden Abfall und am Bodenabschnitt mit einer Austragsöffnung für die Glasschmelze, die den Abfall enthält, versehen. Wenigstens ein Paar von Seitenelektroden ist horizontal an gegenüberliegenden Seitenwänden der Schmelzwanne vorgesehen. Wenigstens eine zentrale Elektrode, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der der Seitenelektroden, ist horizontal im Innern der Schmelzwanne auf dem im wesentlichen mittleren Abschnitt zwischen den Seitenelektroden angeordnet.

Vorzugsweise ist die zentrale Elektrode im wesentlichen in der gleichen horizontalen Ebene wie die Seitenelektroden angeordnet. Die Lage der zentralen Elektrode kann natürlich senkrecht in einem geeigneten Bereich verändert werden, in dem geeignete elektrische Eigenschaften erhalten werden können.

Die Wände der Schmelzwanne sind durch Aufschichten verschiedener Arten von hitzebeständigen Steinen ausgebildet. Üblicherweise werden die Wände, die mit der Glasschmelze in Berührung kommen, aus korrosions- und hitzebeständigen Steinen und die Wände auf der Außenseite mit Stützsteinen und verschiedenen Arten von Isolierziegeln bzw. Steinen ausgebildet. Der sich ergebende Aufbau wird mit einem Metallgehäuse abgedeckt, das den Aufbau abstützt und ihm Festigkeit verleiht. Ein in dieser Weise aufgebauter Schmelzofen hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Festigkeit und sehr gute Wärmeisolierungseigenschaften.

Eine bevorzugte Ausgestaltung eines solchen Schmelzofens ist wie folgt aufgebaut. Der Boden der Schmelzwanne, der mit der Glasschmelze in Berührung kommt, ist in Richtung auf die Schmelzeaustragsöffnung, die in der Mitte des Bodenabschnitts der Schmelzwanne angeordnet ist, um etwa 30° bis 60° geneigt. Eine Bodenelektrode, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der der zentralen Elektrode, ist auf dem Bodenabschnitt der Schmelzwanne vorgesehen. Diese Elektroden bestehen aus einer hitzebeständigen Legierung und es sind darin Kühleinrichtungen in der Form von Kühlgasrohren ausgebildet. Der vertikale Abstand zwischen den Seitenelektroden und der Bodenelektrode wird auf nicht weniger als die Hälfte des horizontalen Abstandes zwischen den Seitenelektroden ausgelegt.

Im Betrieb wird elektrischer Strom an die Glasschmelze in der Schmelzwanne über die Elektroden zur Erzeugung von Joule′scher Wärme angelegt, so daß die Glasschmelze aufgeheizt wird. In dem erfindungsgemäßen Schmelzofen fließt ein elektrischer Strom zwischen einer der Seitenelektroden und der zentralen Elektrode und zwischen der anderen Seitenelektrode und der zentralen Elektrode. Deshalb fließt, selbst wenn eine beträchtliche Menge an leitenden Substanzen sich im Ofen ablagert, der Heizstrom selektiv zwischen den Seitenelektroden und der zentralen Elektrode, und er fließt nicht zu den abgelagerten leitenden Substanzen.

Wenn die zentrale und die Seitenelektroden nahe der Oberfläche der Glasschmelze in der Schmelzwanne angeordnet werden, wird die Wärmeerzeugung im Oberflächenabschnitt der Glasschmelze hoch. Demzufolge kann die Menge an Wärme, die dem Abfall und den Glaszusätzen zugeführt wird, erhöht werden, und es kann auch die Kapazität der Abfallbehandlung verbessert werden.

Wenn die Bodenelektrode vorgesehen wird, fließt ein elektrischer Strom zwischen der zentralen Elektrode und der Bodenelektrode zur Wärmeerzeugung. Dies unterstützt die Wärmeerzeugung am Ofenboden und die Temperaturverteilung der Glasschmelze insgesamt wird im Ofen gleichmäßig. Es ist zu berücksichtigen, daß sich leitende Substanzen auf der Bodenelektrode ablagern. Jedoch ist die zentrale Elektrode, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der der Bodenelektrode, innerhalb der Glasschmelze angeordnet und sie liegt vom Boden und den Seitenwänden des Ofens weg. Deshalb fließt der elektrische Strom zu den leitenden Substanzen, die sich auf der Bodenelektrode befinden und als Teil der Bodenelektrode dienen, aber er fließt nicht zu den leitenden Substanzen, die auf den anderen Wänden der Schmelzwanne abgelagert sind.

Wenn jede dieser Elektroden aus einer hitzebeständigen Legierung besteht und durch eine Kühleinrichtung gekühlt wird, wird die Lebensdauer der Elektrode verlängert.

Durch Schrägstellen des Bodens der Schmelzwanne um etwa 30° bis 60° können die leitenden Substanzen, selbst wenn diese nur schwer in der Glasschmelze gelöst werden und durch Elemente der Platin-Gruppe gebildet werden, die in dem Abfall enthalten sind, leicht ausgetragen werden.

Wenn der vertikale Abstand zwischen den Seitenelektroden und der Bodenelektrode auf nicht weniger als die Hälfte des Abstandes zwischen den Seitenelektroden eingestellt wird, kann verhindert werden, daß der Heizstrom selektiv zu der leitenden Ablagerung fließt, selbst wenn eine kleine Menge der leitenden Substanzen trotz der Ausbildung des schrägen Wannenbodens sich ablagert.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Schmelzofens zum Verglasen von Abfall,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1, und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1.

Eine Schmelzwanne 10 bzw. ein geschlossener Schmelztank 10 ist mit Wänden versehen, die mit schmelzflüssigem Glas in Berührung stehen, und mit Wänden, die im oberen Raum der Schmelzwanne 10 liegen. Die mit der Glasschmelze in Berührung tretenden Wände sind aus korrosions- und hitzebeständigen Steinen 12 und zur Abstützung mit hitzebeständigen Steinen 14 aufgebaut, während die mit dem oberen Raum in Verbindung stehenden Wände aus hitzebeständigen Steinen 16 ausgebildet sind. Auf der Außenseite dieser Steine sind Isoliersteine 18 a, 18 b angeordnet, und der Ofen als Ganzes ist mit einem Metallgehäuse 20 abgedeckt. Ein expansionabsorbierendes Teil 22 zum Absorbieren der Expansion der verschiedenen Arten von Steinen, die durch Temperaturanstieg hervorgerufen wird, ist zwischen den Isoliersteinen 18 a am oberen Abschnitt und an den Seitenabschnitten und dem Metallgehäuse 20 vorgesehen.

Die Schmelzwanne 10 ist an ihrem oberen Abschnitt mit einer Beschickungsöffnung 23 für Rohmaterial versehen, durch die zu behandelnder Abfall und Glaszusätze zugegeben werden, sowie mit einer Gasabzugsöffnung 24, durch die ein während der Behandlung des Abfalls anfallendes Gas abgezogen wird. Die Schmelzwanne 10 ist ferner an ihrem unteren Abschnitt mit einer Austragsöffnung 26 für die Glasschmelze versehen.

Seitenelektroden 28 a, 28 b, die sich über die Wannenlänge erstrecken, wie Fig. 3 zeigt, sind horizontal auf den Abschnitten der gegenüberliegenden Seitenwände angeordnet, die dem Abschnitt der Wände der Schmelzwanne 10 entsprechen, der mit der Glasschmelze in Berührung tritt. Es kann auch eine Anzahl von Paaren von Seitenelektroden vorgesehen werden. Eine zentrale Elektrode 30, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der der Seitenelektroden 28 a, 28 b, ist horizontal im Innern der Schmelzwanne 10 im wesentlichen auf dem mittleren Abschnitt zwischen den Seitenelektroden so angeordnet, daß die zentrale Elektrode 30 im wesentlichen in der gleichen horizontalen Ebene wie die Seitenelektroden 28 a, 28 b liegt und sich über die Wannenlänge erstreckt. Es kann eine Anzahl solcher zentraler Elektroden vorgesehen werden. Der Abschnitt der Schmelzwanne 10, der sich von den Seitenwänden zum Boden der Wanne erstreckt, ist wie folgt aufgebaut. Vertikale Abschnitte von geringer Höhe sind so vorgesehen, daß sie sich von den unteren Enden der Seitenelektroden 28 a, 28 b nach unten erstrecken. Die Abschnitte der Wände, die sich von den unteren Enden dieser vertikalen Abschnitte in Richtung auf die Austragsöffnung 26 der Glasschmelze erstrecken, liegen in einem Winkel von 30° bis 60° und insbesondere von 45° schräg, und es ist eine Bodenelektrode 32 auf der Innenseite dieser schrägen Wände in Verlängerung von deren Oberflächen angeordnet.

Diese drei Arten von Elektroden haben solche Abmessungen, daß sie in der Lage sind, die Glasschmelze auf die erforderliche Temperatur aufzuheizen. Um diese Elektroden zu kühlen, kann Luft oder dergleichen durch Röhren geleitet werden, die darin vorgesehen, aber nicht dargestellt sind.

Die Heizkreise bestehen aus drei Schaltkreisen, d.h. aus einer Wechselstromquelle 34 a zwischen den Seitenelektroden 28 a und der zentralen Elektrode 30, einer Wechselstromquelle 34 b zwischen den Seitenelektroden 28 b und der zentralen Elektrode 30 und einer Wechselstromquelle 34c zwischen der Bodenelektrode 32 und der zentralen Elektrode 30. Diese drei Schaltkreise sind in der Lage, durch konstante Leistungssteuerung, konstante Stromsteuerung, konstante Spannungssteuerung und dergleichen den Schmelzofen elektrisch zu steuern. Hierdurch kann die Glasschmelze auf einer geeigneten Temperatur gehalten werden und es wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht.

Eine Abzugsdüse 36, die mit der Austragsöffnung 26 für die Glasschmelze in Verbindung steht, ist unter der Bodenelektrode 32 vorgesehen. Das schmelzflüssige Glas wird aus der Abzugsdüse 36 über die Austragsöffnung 26, die in der Bodenelektrode 32 und in den korrosions- und hitzebeständigen Steinen vorgesehen ist, abgezogen. Diese Abzugsdüse 36 besteht aus einer Hülse aus einer hitzebeständigen Legierung, und sie kann durch Induktionsheizung mittels einer nicht gezeigten Heizspule oder durch Anlegen eines elektrischen Stroms direkt an dieser Düse aufgeheizt werden, wodurch das Abwärtsfließen der Glasschmelze eingeleitet und unterbrochen werden kann.

In diesem Schmelzofen wird die Glasschmelze 38 im wesentlichen in der gleichen Weise wie in einem herkömmlichen Schmelzofen erwärmt, d. h. durch Anlegen eines elektrischen Stromes an die Glasschmelze 38 in der Schmelzwanne 10 über die Elektroden 28 a, 28 b, 30, 32 unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze, um Joule′sche Wärme zu erzeugen, durch die die Glasschmelze aufgeheizt wird. Wenn radioaktiver flüssiger Abfall und Glaszusätze durch die Eintragsöffnung 23 am oberen Abschnitt des Schmelzofens auf die Oberfläche der Glasschmelze aufgegeben werden, werden diese mit der Glasschmelze erwärmt, um sie in schmelzflüssiges Glas durch Temperaturerhöhung, Verdampfung und Kalzinierung bzw. Rösten umzuwandeln, worauf das sich ergebende schmelzflüssige Glas durch die Auftragsöffnung 26 abgezogen wird. Das während der Schmelzbehandlung auftretende Schadgas wird aus der Abzugsöffnung 24 abgezogen.

Erfindungsgemäß sind Seitenelektroden an den Seitenwänden der Schmelzwanne vorgesehen und eine zentrale Elektrode, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der der Seitenelektroden, ist im wesentlichen im Mittelabschnitt des Innenraumes der Schmelzwanne angeordnet, wobei sich diese zentrale Elektrode 30, wie Fig. 2 zeigt, von einer Seite zur anderen erstreckt. Selbst wenn sich elektrisch leitende Substanzen auf dem Boden der Schmelzwanne ablagern, fließt deswegen kein elektrischer Heizstrom zu diesen Ablagerungen, da der elektrische Strom selektiv zwischen den Seitenelektroden und der zentralen Elektrode fließt. Hierdurch kann die Erzeugung abnormer Hitze am Ofenboden verhindert werden. Die durch den elektrischen Strom zwischen den Seitenelektroden und der zentralen Elektrode erzeugte Wärme wird in wirksamer Weise an den Abfall und die Glaszusätze auf der Oberfläche der Glasschmelze weitergegeben, so daß die Kapazität der Abfallbehandlung erhöht wird. Auf diese Weise kann der Schmelzofen selbst klein gehalten werden.

Wenn am Ofenboden eine Bodenelektrode vorgesehen wird, wird ein elektrischer Stromfluß zwischen der zentralen Elektrode und der Bodenelektrode möglich, so daß die Steuerung der Temperatur der Glasschmelze im Ofen einfacher ausgeführt werden kann als in einem Schmelzofen herkömmlicher Bauart. Die Temperaturverteilung der Glasschmelze im Ofen kann deshalb gleichmäßig eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Abfallbehandlung einschließlich eines Betriebs, bei dem ein Abwärtsfließen der Glasschmelze in einfacher Weise gesteuert und ein gleichmäßig Abfall enthaltendes Glas hergestellt werden kann. Da der Ofenboden geneigt ist, um dessen Temperatur zu erhöhen, wird die leitende Ablagerung ohne Störung in Übereinstimmung mit dem Abwärtsfließen der Glasschmelze ausgetragen. Dementsprechend wird die Möglichkeit des Auftretens von nachteiligen elektrischen Einflüssen auf die leitende Ablagerung bei der Abfallbehandlung weiter verringert.

Claims (6)

1. Elektrischer Schmelzofen zum Verglasen von Abfall, gekennzeichnet durch
eine Schmelzwanne (10) mit Wänden aus hitzebeständigen Steinen, wobei diese Schmelzwanne an ihrem oberen Abschnitt mit einer Eintragsöffnung (23) für Glaszusätze und Abfall und an ihrem unteren Abschnitt mit einer Austragsöffnung (26) für den Abfall enthaltendes, schmelzflüssiges Glas versehen ist,
wenigstens einem Paar von Seitenelektroden (28), die auf gegenüberliegenden Seitenwänden der Schmelzwanne (10) horizontal angeordnet sind, und
wenigstens einer zentralen Elektrode (30) mit einer Polarität entgegengesetzt zu der der Seitenelektroden (28), wobei diese zentrale Elektrode (30) im Inneren der Schmelzwanne (10) im wesentlichen auf dem Mittelabschnitt zwischen den Seitenelektroden horizontal angeordnet ist.

2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Elektrode (30) im wesentlichen in der gleichen horizontalen Ebene wie die Seitenelektroden (28) angeordnet ist.

3. Schmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenabschnitt der Schmelzwanne (10) einen um etwa 30° bis 60° in Richtung auf die Austragsöffnung (26) geneigten Boden aufweist, wobei die Austragsöffnung (26) in der Mitte des Bodens angeordnet ist.

4. Schmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bodenelektrode (32) am Boden der Schmelzwanne (10) vorgesehen ist, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der der zentralen Elektrode (30).

5. Schmelzofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechte Abstand zwischen den Seitenelektroden (28) und der Bodenelektrode (32) nicht weniger als die Hälfte des horizontalen Abstandes zwischen den Seitenelektroden beträgt.

6. Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Elektroden aus einer hitzebeständigen Legierung besteht und mit einer Kühleinrichtung versehen ist.