ES2199287T3

ES2199287T3 - Sistema de vitrificacion regulable para un horno de plasma de arco con alimentacion interna integrada para el tratamiento de residuos y recuperacion de recursos.

Info

Publication number: ES2199287T3
Application number: ES96910298T
Authority: ES
Inventors: Charles H. Titus; Daniel R. Cohn; Jeffrey E. Surma
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2016-02-02
Also published as: CA2212152C; ATE239067T1; CN1179172A; CA2212152A1; US6037560A; MX9705905A; US6127645A; US5798497A; CN1130441C; JPH10513255A; US5811752A; HK1016211A1; EP0807154B1; NZ305522A; AU711952B2; US5756957A; US6160238A; AU6347096A; WO1996024441A2; US5908564A

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN SISTEMA DE CONVERSION DE DESECHOS SINTONIZABLE AUTOPROPULSADO RELATIVAMENTE COMPACTO Y APARATO QUE TIENE LA VENTAJA DE UNA OPERACION ALTAMENTE ROBUSTA QUE PROPORCIONA UNA CONVERSION COMPLETA O SUSTANCIALMENTE COMPLETA DE UNA GRAN GAMA DE CORRIENTE DE DESECHO EN GASES UTILES U UN PRODUCTO ESTABLE SOLIDO NO LIXIVIABLE EN UN LUGAR UNICO CON CONTAMINACION DEL AIRE MUY REDUCIDA PARA CUMPLIR CON LAS NORMAS DE CALIDAD DEL AIRE. EL SISTEMA PROPORCIONA LA CAPACIDAD DE CONVERSION ALTAMENTE EFICIENTE DE DESECHOS EN GASES DE COMBUSTION DE ALTA CALIDAD Y LA CONVERSION DE ALTA EFICIENCIA DEL GAS EN ELECTRICIDAD UTILIZANDO UNA TURBINA DE GAS DE ALTA EFICIENCIA O MEDIANTE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA. EL PRODUCTO SOLIDO PUEDE SER APROPIADO PARA VARIAS APLICACIONES COMERCIALES. ALTERNATIVAMENTE, LA CORRIENTE DE PRODUCTO SOLIDO, QUE ES MATERIAL SEGURO Y ESTABLE PUEDE CONSUMIRSE SIN NINGUNA CONSIDERACION ESPECIAL COMO MATERIAL PELIGROSO. EN LA REALIZACION PREFERIDA DE LA INVENCION EL HORNO DE PLASMA DE ARCO Y EL FUNDIDOR CALENTADO DE EFECTO JULIO SE FORMAN COMO UNA UNIDAD TOTALMENTE SOLIDARIA CON UN RECIPIENTE COMUN DE FUNDICION QUE TIENE DISPOSICIONES DE CIRCUITOS PARA LA CONTROLAR OPERACIONES SIMULTANEAS INDEPENDIENTEMENTE DE LAS PARTES CALENTADAS DE EFECTO JULIO Y PLASMA DE ARCO DE LA UNIDAD SIN INTERFERIR UNA CON OTRA. LA CONFIGURACION PREFERIDA DE ESTA REALIZACION DE LA INVENCION UTILIZA DOS ELECTRODOS DE PLASMA DE ARCO CON UNA CAMARA ALARGADA PARA EL RECIPIENTE DE FUNDICION PARA QUE EL RECIPIENTE DE FUNDICION SEA CAPAZ DE PROPORCIONAR VIA DE CONDUCCION ENTRE LOS ELECTRODOS. EL APARATO PUEDE EMPLEARSE ADEMAS CON UN USO REDUCIDO O SIN USO DE LOS GASES GENERADOS POR EL PROCEDIMIENTO DE CONVERSION. EL APARATO PUEDE TAMBIEN EMPLEARSE COMO UNA UNIDAD DE PRODUCCION DE ELECTRICIDAD DE RED O AUTOPROPULSADA DONDE EL USO DE UN COMBUSTIBLE AUXILIAR PROPORCIONA EL NIVEL REQUERIDO DE PRODUCCION DE ELECTRICIDAD.

Description

Sistema de vitrificación regulable para un horno de plasma de arco con alimentación interna integrada para el tratamiento de residuos y recuperación de recursos.

Campo técnico

La presente invención se refiere generalmente a sistemas para la conversión de residuos, y más particularmente a combinaciones de una caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco independientemente controlables como sistemas integrados, con el fin de proporcionar un tratamiento regulable de residuos y una instalación de producción de energía.

Antecedentes de la invención

La eliminación de residuos sólidos municipales (RSM) y de otros residuos, se ha convertido en un asunto muy importante durante las últimas décadas debido a las limitaciones de espacio de los vertederos y a los problemas asociados con la ubicación de los nuevos incineradores. Adicionalmente, el aumento de la conciencia por el medio ambiente ha dado como resultado una mayor preocupación de un gran número de grandes zonas metropolitanas y hacia el país como un conjunto, con el objeto de garantizar una manipulación apropiada de la eliminación de los residuos sólidos. Véase por ejemplo, USA EPA, The Solid Waste Dilemma: An Agenda for Action, EPA/530-SW-89-019, Washington, D.C. (1989).

Se han realizado varios intentos para reducir el volumen y recuperar el contenido de energía de los RSM a través de la incineración y la cogeneración. El incinerador estándar de residuos a energía procesará la parte de combustible sólido de la corriente de residuos, producirá vapor para hacer funcionar una la turbina de vapor y, como resultado del proceso de combustión, producirá un material de cenizas de residuo. Normalmente, la ceniza se entierra en un vertedero municipal. Sin embargo, las tendencias actuales y los últimos reglamentos pueden requerir que un material de este tipo se envíe a los vertederos permitidos para residuos peligrosos. Esto aumentará sustancialmente los costes de eliminación de cenizas. Además, existe un aumento de la conciencia pública sobre las emisiones gaseosas de los vertederos y sobre la posibilidad de contaminación del agua subterránea. Otra desventaja asociada con los sistemas incineradores es la producción de grandes cantidades de emisiones gaseosas, que dan como resultado la necesidad de costosos sistemas de control de la polución del aire, en un intento de disminuir los niveles de emisión para cumplir con los requisitos impuestos por los organismos reguladores.

Con el fin de superar las deficiencias asociadas con los sistemas incineradores, se han realizado varios intentos en la técnica anterior para utilizar sopletes de plasma de arco para destruir los residuos tóxicos. El uso de sopletes de plasma de arco proporciona una ventaja sobre los procedimientos tradicionales de incineración y combustión bajo ciertas condiciones operativas, debido a que el volumen de productos gaseosos formados a partir del soplete de plasma de arco puede ser significativamente inferior al volumen producido durante la incineración o combustión normales, menos materiales tóxicos en los productos gaseosos y, en algunas circunstancias, el material de residuo puede vitrificarse.

Por ejemplo, la Patente de los EE.UU. nº 5.280.757 de Carter et al., describe el uso de un soplete de plasma de arco en un recipiente del reactor para gasificar los residuos sólidos municipales. Por tanto, se produce un producto que tiene un gas de calidad media y una escoria con una lixivialidad del elemento tóxico inferior.

La patente de los EE.UU. nº 4.644.877 de Barton et al., se refiere a la destrucción pirolítica de bifenilos policlorados (PCB) que utilizan un soplete de plasma de arco. Los materiales de residuo son atomizados e ionizados por un soplete de plasma de arco y se enfrían a continuación y se combinan nuevamente con gas y materia particulada en una cámara de reacción. La patente de los EE.UU. nº 4.431.612 de Bell et al. Trata de un horno hueco de plasma de arco de transferencia de electrodos de grafito para el tratamiento de residuos peligrosos tales como PCB.

Un procedimiento para solucionar el terreno contaminado con plomo y el material de residuo de baterías se describe en la patente de los EE.UU. nº 5.284.503 de Bitler et al. A partir del terreno se forma una escoria vitrificada. El gas combustible y el plomo volatilizado, que se forman a causa de las envolturas de las baterías desechadas, se transfieren preferiblemente a y se utilizan como combustible para una caldera de fusión convencional.

Los sistemas propuestos por Barton et al., Bell et al., Carter et al., y Bitler et al., tienen importantes desventajas. Por ejemplo, dichas desventajas incluyen calentamiento insuficiente, mezclado y tiempos de residencia para poder garantizar una máxima calidad, producción de vidrio no lixiviable para una amplia gama de caudales de residuos. Adicionalmente, el tamaño de la cámara de fusión y el diseño del alimentador están limitados significativamente, ya que las paredes del horno deben estar relativamente cerradas al plasma de arco, que es la única fuente de calor. Las altas tensiones térmicas en las paredes del horno se producen frecuentemente como un resultado de la limitación del tamaño de la cámara de fusión.

Adicionalmente, los hornos de plasma de arco de la técnica anterior con electrodos metálicos pueden estar limitados adicionalmente por una corta vida útil de los electrodos cuando se utilizan con una corriente CC superior. Además, para obtener una mayor producción de energía, debe aumentarse el voltaje del arco prolongando el arco. Esto da como resultado pérdidas térmicas radiactivas a las paredes laterales del horno y lleva a una ineficacia de los electrodos metálicos (soplete). Adicionalmente, con frecuencia existen dificultades asociadas con los plasmas de arco de transferencia de la técnica anterior al arrancar y reiniciar tales sistemas de plasma de arco cuando se enfrían, tratando eléctricamente el material no conductor.

Por tanto, aunque tales intentos de la técnica anterior han sido útiles, se mantiene una necesidad en la técnica de un sistema de conversión de residuos robusto y fácil de operar, que minimice las emisiones gaseosas peligrosas y que maximice la conversión de una amplia gama de residuos sólidos en energía útil y produzca una corriente de productos que esté en forma estable y segura para el uso comercial o que no requiera consideraciones especiales de los residuos peligrosos para su eliminación. Además, sería deseable proporcionar un método y aparato robustos altamente flexibles y cómodos para el usuario, para el tratamiento y conversión de una amplia gama de materiales de residuos en energía útil y productos estables que minimicen al mismo tiempo las emisiones gaseosas nocivas, superando de este modo las deficiencias asociadas con la técnica anterior. El documento US-A-3.995.150 es la técnica anterior de la presente solicitud. El documento US- A-3.841.239, describe una unidad de conversión de residuos y un método de funcionamiento de tal unidad según los preámbulos de las reivindicaciones independientes. La presente invención está caracterizada por las características de las partes caracterizadoras de las reivindicaciones adjuntas.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un método y aparato para aumentar la conversión de los materiales sólidos de residuos, tales como residuos industriales y municipales, en energía útil con una contaminación del aire reducida en gran medida.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método y aparato para convertir una amplia gama de materiales de residuos en productos comerciales útiles o en un producto estable y seguro que sea adecuado para la eliminación.

Es otro objeto de la invención proporcionar un método y aparato para convertir materiales de residuos utilizando una combinación de una caldera de fusión calentada por efecto Joule y un plasma de arco independientemente controlable como un sistema integrado.

Es un objeto adicional de la invención proporcionar un método y aparato para convertir materiales de residuos utilizando una caldera de fusión calentada por efecto Joule completamente integrada y una unidad de plasma de arco.

Es todavía otro objeto adicional de la presente invención proporcionar un método y aparato para convertir materiales de residuos, en el que se hacen funcionar simultáneamente una caldera de fusión calentada por efecto Joule y un plasma de arco en un sistema completamente integrado con un baño de fusión común y con control independiente de la energía a cada uno.

Todavía, es otro objeto adicional de la invención proporcionar un método y aparato para vitrificar materiales de residuos utilizando una combinación de una caldera de fusión calentada por efecto Joule y un plasma de arco como un sistema integrado.

Todavía, es un objeto adicional de la invención proporcionar un método y aparato para convertir materiales de residuos utilizando la pirólisis rápida, proporcionando de este modo un gas de alta pureza apropiado para la combustión.

Todavía, es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la conversión altamente eficaz de materiales de residuos en combustible gaseoso, capaz de generar electricidad a través de una pequeña turbina de gas, altamente eficaz o de un motor de combustión interna.

Es todavía otro objeto de la invención proporcionar una unidad de conversión de residuos, que pueda ser autoalimentada o que pueda proporcionar un nivel determinado de electricidad para el uso externo utilizando un combustible auxiliar, tal como gas natural, diesel o cualquier otro combustible, en cantidades variables en la turbina de gas o en el motor de combustión interna.

Estos y otros objetos de la invención están previstos por un sistema que es capaz de tratar residuos sólidos municipales (RSM), residuos industriales u otras formas de residuos en un producto estable no lixiviable, que es apropiado para el uso comercial o del que puede disponerse sin riesgo alguno para el medio ambiente. El sistema también minimiza las emisiones de aire y maximiza la producción de un producto de gas útil para la producción de electricidad.

La presente invención proporciona un sistema compacto de tratamiento de residuos a energía, que tiene la ventaja de convertir de forma completa o sustancialmente completa materiales de residuos en un gas útil y en una corriente de productos en un único emplazamiento. Además, la corriente de productos puede utilizarse en una variedad de aplicaciones comerciales. Alternativamente, la corriente de productos, que está en una forma de residuo segura y estable, no requiere nocivas consideraciones especiales de eliminación.

La combinación del horno de plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule como un sistema integrado con un equipo generador de turbina de gas o de motor de combustión interna, proporciona un tratamiento autoalimentado de los residuos y la instalación de producción de energía, que es capaz de desplegarse en unidades modulares relativamente pequeñas y que puede ampliarse fácilmente para manipular grandes volúmenes de residuos sólidos municipales.

Preferiblemente, la unidad primaria de tratamiento incluye un plasma de arco de CC para calentar el material de residuo y también tiene una capacidad de calentamiento por efecto Joule para el baño de fusión. Preferiblemente, el arco o arcos de electrodos son un arco o arcos de electrodos de CC con electrodos formados de grafito. El uso de un electrodo de arco de CC en combinación con un circuito eléctrico especial, garantiza el control simultáneo independiente del plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule. El modo primario de funcionamiento del plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule es la pirólisis (operación en ausencia de oxígeno). En una realización preferida, el sistema se hace funcionar, de manera que se produce la pirólisis rápida, produciendo de este modo un gas con una pureza superior a la comparada con otros métodos de pirólisis.

Según la presente invención, los componentes de plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule están completamente integrados con un baño de fusión común, de manera que el sistema es capaz de una operación simultánea e independientemente controlable, es decir, regulable, de estos componentes. El plasma de arco se produce entre un electrodo o electrodos de grafito y el material fundido. El grafito es el material de arco preferido en lugar del metal, ya que los electrodos de grafito simplifican el proceso, y ya que el grafito tiene una capacidad de corriente mucho más grande que un electrodo de metal en un soplete de plasma. Además, los electrodos de grafito requieren menos mantenimiento en cuanto a las frecuentes sustituciones de las puntas de los sistemas de soplete de plasma de electrodos de metal. Sin embargo, debería apreciarse que como material de electrodo pueden utilizarse otros elementos metálicos tales como tungsteno o similares.

El sistema regulable completamente integrado utiliza características de diseño eléctricas y mecánicas para maximizar la flexibilidad y la eficacia. Los beneficios de esta realización de la invención incluyen, pero no se limitan a, altas velocidades de tratamiento para la vitrificación de una gran variedad de materiales en vidrio no lixiviable estable, de máxima calidad, y a requisitos de volumen reducido debido al sistema integrado. La caldera de fusión calentada por efecto Joule proporciona un intenso calentamiento volumétrico, y es capaz de mantener una temperatura constante durante todo el baño de fusión con características de mezcla uniforme, dando como resultado un producto de vidrio homogéneo de alta calidad. El plasma de arco proporciona el calentamiento necesario de la superficie radiante para tratar el material de alimentación de una manera altamente eficaz y a velocidades significativamente superiores que otras tecnologías. El funcionamiento simultáneo independientemente controlable del plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule viene dado por las configuraciones de la caldera de fusión de arco y de los circuitos eléctricos predeterminados. Aunque no está limitado a ello, preferiblemente, el plasma de arco se hace funcionar con un arco de CC y la caldera de fusión calentada por efecto Joule se hace funcionar con energía de CA. La disposición del arco de CC y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule con energía de CA, garantiza la capacidad de controlar y operar independientemente cada componente.

El uso de la caldera de fusión en combinación con el plasma de arco proporciona un calentamiento más uniforme que las técnicas de la técnica anterior. Además, el uso de un intenso calentamiento volumétrico proporcionado por la caldera de fusión de vidrio calentada por efecto Joule facilita el manejo. También proporciona la fuente de calor constante, necesaria para mantener una conductividad eléctrica suficiente en el material de residuo, para el rápido reinicio del plasma de arco, que utiliza una vía de conducción eléctrica a través del material de residuo. Adicionalmente, el sistema completamente integrado permite que las paredes del horno estén más lejos del plasma de arco, ya que existe una fuente de calor adicional. Pueden utilizarse serpentines de calentamiento inductivo y/o de mezclado para proporcionar un calentamiento y/o mezcla adicional en el baño de fusión. El aumento de la distancia de la pared desde el plasma de arco aumenta las opciones de alimentación y reduce las tensiones térmicas en el revestimiento interior del horno. La presente invención también permite el uso de electrodos que tienen una larga vida útil y una amplia gama de niveles de potencia del plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule.

El control independiente de la potencia del plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule proporciona una mezcla continuamente regulable de la superficie y del intenso calentamiento volumétrico, que puede optimizarse para distintas fases de funcionamiento. Por ejemplo, puede requerirse calentamiento adicional para colar el vidrio o para mantener la temperatura del baño de vidrio mientras puede ser necesario un calentamiento adicional de la superficie durante el inicio de la alimentación. Además, las distintas mezclas del calentamiento volumétrico y de superficie son apropiadas para distintas corrientes de residuos. La relación de superficie a intenso calentamiento volumétrico puede ser inferior para los residuos municipales, que para los residuos industriales que contienen grandes cantidades de metales y materiales a alta temperatura.

Los productos vitrificados de alta calidad producidos según la presente invención, pueden utilizarse en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, los productos vitrificados pueden molerse e incorporarse en el asfalto para su uso en carreteras y similares. Alternativamente, los productos vitrificados pueden utilizarse para sustituir el hormigón en los bloques de hormigón o de construcción, minimizando de este modo la absorción de agua dentro del bloque. Además, los productos vitrificados pueden solidificarse en una forma final, que presenta una reducción sustancial del volumen sobre los productos de vitrificación de la técnica anterior. La forma solidificada es apropiada para su eliminación sin riesgos para la salud o riesgos para el medio ambiente.

Lo anteriormente mencionado ha explicado de forma resumida algunos de los objetos más pertinentes de la presente invención. Estos objetos deberían interpretarse como meramente ilustrativos de algunas de las características y aplicaciones más destacadas de la invención. Pueden obtenerse muchos otros beneficios aplicando la invención descrita de una manera distinta de modificación de la invención, tal como se describirá. Por consiguiente, pueden obtenerse otros objetos y un entendimiento más completo de la invención con referencia a la siguiente Descripción detallada de las realizaciones preferidas.

Breve descripción de los dibujos

Para un entendimiento más completo de la presente invención, se ha hecho referencia a la siguiente descripción tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1(a) muestra una realización preferida del horno de plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule según la presente invención, en la que el horno y la caldera de fusión están formados como un sistema completamente integrado con un baño de fusión común;

la figura 1(b) muestra un horno de plasma de arco y una caldera de fusión completamente integrados en los que los electrodos de la parte de la caldera de fusión están colocados en un ángulo relativo a la parte vertical de la unidad de la caldera de fusión y de plasma de arco;

la figura 1(c) muestra el sistema completamente integrado de la figura 1(b) con serpentines magnéticos para el calentamiento inductivo y el mezclado según la presente invención;

la figura 1(d) ilustra el sistema completamente integrado de la figura 1(c), que tiene un reforzador térmico secundario según una realización alternativa de la invención;

la figura 2 ilustra un sistema completamente integrado de horno de plasma de arco y una caldera de fusión calentada por efecto Joule con sistemas de suministro de energía independientemente controlables;

las figuras 3(a) y 3(b) muestran respectivamente, un sistema de energía de CA y un sistema de energía de CC para su uso con los sistemas completamente integrados;

las figuras 4(a) y 4(b) muestran dos vistas en planta para las configuraciones y geometrías de electrodos para los sistemas completamente integrados;

la figura 5 ilustra un esquema de circuito, que tiene una capacidad para conectar una parte de los electrodos de CA que conducirán tanto CA como CC según los sistemas integrados; y

las figuras 6(a) y 6(b) ilustran disposiciones del sistema de energía de CC para la parte de plasma de arco de los sistemas de la presente invención.

Los caracteres de referencia similares se refieren a partes similares en las distintas vistas de los dibujos.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

En las figuras 1-5 se muestra una realización preferida de la invención. En esta realización, los sistemas eléctricos calentados por efecto Joule de CA y de arco de CC están completamente integrados y funcionan simultáneamente en una caldera de fusión única de vidrio, pero están aislados eléctricamente entre sí con el uso de un circuito especial de transmisión de energía. Las combinaciones de la caldera de fusión y del plasma de arco ilustradas en las figuras

\hbox{1(a)-1(d)}

y 2 están integradas tanto térmica como eléctricamente.

Los sistemas completamente integrados de caldera de fusión y de plasma según la presente invención, proporcionan la ventaja de tener proporciones continuamente regulables de potencia entre el calentamiento de plasma y el calentamiento de la caldera de fusión de vidrio. Por ejemplo, la potenciación independiente continuamente regulable es útil cuando es deseable utilizar una parte del sistema, por ejemplo, el plasma de arco o la caldera de fusión. La potenciación independiente continuamente regulable proporciona robustez y facilita la facilidad de manejo bajo condiciones cambiantes. La potenciación independiente continuamente regulable mejora adicionalmente la eficacia y maximiza el atractivo medioambiental, proporcionando un control adicional sobre los productos de residuos sólidos, por ejemplo, vidrio y sin generación de gases.

El funcionamiento independiente continuamente variable del plasma de arco y de la caldera de fusión permite al usuario seleccionar varios tipos de calentamiento. Por ejemplo, el plasma de arco (o plasmas) proporciona un calentamiento de la superficie radiactiva. Pueden utilizarse grandes cantidades de energía de plasma al comienzo de la alimentación. Pueden utilizarse cantidades inferiores, pero aún sustanciales, de energía de plasma durante la alimentación continua. El calentamiento de la superficie de los residuos a alta temperatura facilita un tratamiento de alto rendimiento, así como pirólisis rápida, para producir gas combustible de máxima calidad. El alto calentamiento de la superficie también es necesario para el tratamiento cuando el material es difícil de fundir o cuando el material es altamente conductor, limitando de este modo la eficacia del calentamiento por efecto Joule con vidrio en ausencia de plasma de arco.

El calentamiento por efecto Joule con electrodos de fusión del vidrio proporciona un intenso calentamiento volumétrico. Este tipo de calentamiento garantiza la producción de vidrio de alta calidad al potenciar el mezclado en todo el baño de fusión. También proporciona material conductor para una operación más estable de la transferencia del arco. También puede utilizarse el uso independiente del calentamiento volumétrico para mantener el residuo en un estado fundido con requisitos de baja potencia cuando no hay alimentación. El calentamiento volumétrico también es importante para la colada de vidrio.

La potenciación independiente continuamente regulable del calentamiento por plasma y del calentamiento por caldera de fusión de vidrio facilita el uso de un calentamiento volumétrico extra, a efectos de colada del vidrio o de producción mejorada del vidrio sin aumentar los efectos adversos del calentamiento por plasma, tales como la excesiva volatilización de material y las tensiones térmicas de la pared del horno.

Además de la potenciación independiente continuamente regulable durante el tratamiento de un tipo determinado de corriente de residuo, las características regulables de la unidad integrada de la caldera de fusión de plasma puede utilizarse para optimizar el tratamiento de distintos tipos de corrientes de residuos. Por ejemplo, las corrientes de residuos municipales pueden requerir generalmente cantidades relativas inferiores de potencia de plasma que las corrientes que tienen materiales de fusión a alta temperatura y cantidades superiores de metales, tales como los residuos industriales y peligrosos en gran parte compuestos de sustancias inorgánicas.

El uso del calentamiento volumétrico de la caldera de fusión también facilita una gama más amplia de opciones para las configuraciones de los electrodos del plasma. Debido a que el calentamiento volumétrico de la caldera de fusión mantiene el material en un estado conductor y sustancialmente fundido, pueden utilizarse fácilmente más de un electrodo de plasma. Esto se debe en parte a que el material fundido proporciona la trayectoria conductora entre los electrodos. Por ello, siempre es posible un funcionamiento continuamente regulable para el uso de uno o más electrodos de plasma. La flexibilidad aumentada puede utilizarse para optimizar la producción de gas combustible, minimizar la emisión de partículas y reducir el desgaste de los electrodos.

De este modo, la potenciación independiente continuamente regulable de los sistemas de calentamiento de caldera de fusión y de plasma proporciona una magnitud enormemente expandida de control de temperatura. El control espacial y temporal de la temperatura, que no ha estado disponible previamente, puede utilizarse para mejorar el atractivo del medio ambiente y la utilidad de los sistemas combinados de vitrificación por caldera de fusión y por plasma de arco.

Tal como se ha expuesto en el presente documento, la completa integración de una caldera de fusión calentada por efecto Joule con el plasma de arco según la presente invención, también facilita el uso de una cámara de fusión alargada con dos electrodos de plasma de arco. El material fundido es capaz de proporcionar una trayectoria de corriente o conductora entre dos electrodos de plasma de arco. Esta configuración aumenta significativamente la flexibilidad de la alimentación de residuos y de la extracción de escorias y aumenta la vida y robustez del electrodo de plasma de arco. La disposición de la cámara alargada y de los dos electrodos de plasma de arco viene facilitada por la caldera de fusión calentada por efecto Joule, ya que la caldera de fusión calentada por efecto Joule es capaz de proporcionar el calor necesario para mantener una trayectoria conductora entre los dos electrodos de plasma de arco durante los periodos de reposo del horno, y también proporciona un calentamiento uniforme en la cámara alargada de fusión.

Las realizaciones de la invención mostradas en las figuras 1-5, incluyen una disposición del circuito que permite el paso de la energía requerida de CA durante la fusión, utilizando electrodos sumergidos como en las calderas de fusión convencionales calentadas por efecto Joule, y que también permite el funcionamiento simultáneo de un circuito de plasma de arco de CC durante la fusión entre los electrodos móviles superiores o, si se desea, entre estos electrodos y/o un contraelectrodo sumergido. El tipo de residuos y el carácter de las escorias fundidas determinarán el modo de funcionamiento preferido.

La unidad 300 integrada de caldera de fusión y plasma de arco se muestra en las figuras 1(a)-1(d) e incluye un recipiente 302 de reacción. Debería apreciarse que la caldera de fusión calentada por efecto Joule facilita la producción de un gas de pirólisis de máxima calidad utilizando la mínima entrada de energía al proceso. Esta situación existe porque la entrada de energía al arco no necesita ser superior a la requerida para pirolizar y fundir el material en la zona de arco. El baño de fusión debajo del material de alimentación no fundido se mantiene a la temperatura deseada utilizando un calentamiento por efecto Joule, en lugar de utilizar únicamente un horno de plasma de arco. Los requisitos de energía para mantener la escoria a la temperatura apropiada son iguales a las pérdidas de calor desde la superficie superior de la caldera de fusión. Se espera que sea muy baja, es decir, aproximadamente 20-30 KW/m^{2} de área superficial de vidrio o escoria para una cámara de fusión diseñada apropiadamente. Se añade aire/oxígeno y/o una combinación de aire y vapor para eliminar los residuos de carbón de la superficie de fusión y ajustar el estado redox del vidrio. La caldera de fusión calentada por efecto Joule proporciona energía (es decir, vidrio caliente) cerca de los lados del baño donde se introduce la mezcla de vapor y gas. La unidad 300 integrada también incluye el calentador 320 auxiliar.

El recipiente 302 de reacción incluye una parte 302a superior, una parte 302b inferior, y lados 302c y 302d. La parte 302b inferior puede tener una configuración generalmente en forma de V, tal como se ilustra en las figuras

\hbox{1(a)-1(d).}

Adicionalmente, el recipiente 302 de reacción incluye, al menos, un orificio o abertura 304a para introducir el material 330 de residuo en el recipiente 302 de reacción. En una realización preferida, el recipiente 302 de reacción incluye una pluralidad de orificios o aberturas 304a y 304b, tal como se muestra en las figuras 1(a)-1(d). El sistema de alimentación puede ser cualquier tipo convencional de sistema de alimentación, que sea capaz de alimentar residuos sólidos municipales u otros residuos, tales como residuos peligrosos, residuos de hospitales, cenizas de un incinerador o similares, al recipiente 302 hasta que el sistema de alimentación no permita que el aire entre al recipiente a través del sistema de alimentación. Los orificios 304a y 304b pueden incluir una válvula de control de flujo o similar, para controlar el flujo del material 330 de residuo en el recipiente 302 y para evitar que el aire entre el recipiente 302 a través de los mismos. También es preferible que tales orificios 304a y 304b sean capaces de controlarse, de tal manera que puedan utilizarse uno o más simultánea o separadamente con uno u otro. El recipiente 302 de reacción también incluye un orificio o abertura 306 del gas y un orificio o abertura 310 de colada del metal o de la escoria. El orificio 306 o abertura de descarga del gas puede formarse de cualquier material convencional, que permita la descarga controlada de un gas combustible. Por ejemplo, y mientras no sea limitativo, el orificio 306 puede dotarse con una válvula de control de flujo o similar, de manera que el gas formado en el recipiente 302 de reacción pueda liberarse selectivamente en el conducto 30. Es preferible que el orificio 306 de descarga del gas se coloque en o cerca de la parte 302a superior del recipiente 302. El orificio 310 del metal/escoria permite que el metal/escoria que se ha formado y recogido en el recipiente 302 se descargue y se separe de los gases y escorias formados en el recipiente 302. El orificio 310 de descarga está construido de cualquier manera que sea capaz de controlar la descarga de material fundido del recipiente 302. Particularmente, el orificio 310 está diseñado para tener una válvula de control de flujo o similar, de manera que el metal o escoria puede extraerse e introducirse en el colector 312 de metal/escoria en periodos de tiempo predeterminados durante el proceso. Cuando se están tratando residuos peligrosos, puede ser deseable tener un colector 312 conectado de manera estanca al orificio 310, de manera que el aire y/o los gases no entren o salgan del sistema a través del mismo.

El recipiente 302 puede incluir orificios adicionales tales como un orificio 302e de entrada del gas o del aire, mostrado en la figura 1(a). El orificio 302e de entrada del gas o del aire incluye el control de flujo, tal como una válvula de control del flujo o similar. Preferiblemente, el orificio 302e está colocado para entrar a través de la pared del horno a un nivel cerca del material 332 de escoria, tal como se muestra en las figuras 1(a) y 1(b). De esta manera, el aire 50b (que puede contener una cantidad predeterminada de vapor 80) se inyecta en el recipiente 302 a una velocidad y tiempo controlados durante el proceso de conversión, con el fin de controlar la composición del gas que sale del horno. Adicionalmente, el vapor y/o el aire pueden introducirse a través de la abertura 302e para garantizar que cualquier carbono en el material de alimentación se haya convertido en gases que contengan carbono, tales como CO, CO_{2}, H_{4}, CH_{4}, y similares. Esto reduce la cantidad de carbonización durante el proceso, que puede resultar cuando el carbono no se ha convertido completamente en gases que contengan carbono.

Tal como se ilustra adicionalmente en la figura 1(a), el sistema 300 también incluye la turbina 56, el generador 60, y el equipamiento necesario para acoplar la unidad de la caldera de fusión y plasma de arco al mismo. Por ejemplo, el sistema 300 incluye preferiblemente, el equipamiento 40 de limpieza del gas caliente, la unidad 72 de recuperación del calor de los residuos, y los sistemas de inyección de aire 48 y agua 68. Aunque no se muestra en la figura 1(a), también puede utilizarse un proceso de acondicionamiento de alimentación para el material 330 de residuo antes de alimentarse al recipiente 302. Además de las unidades mostradas en la figura 1(a), puede ser deseable incorporar un proceso de depuración de gas maloliente para gases que salen de la unidad 40 de limpieza o de la turbina alimentada con gas para eliminar cualquier gas ácido de las mismas. Preferiblemente, el único acondicionamiento de gas requerido para que los gases salgan del recipiente 302 de arco, es la separación de los sólidos de los gases en la unidad 40 de limpieza del gas caliente para minimizar la cantidad de partículas que entran en la turbina 56.

Los gases producidos en el recipiente 302, son gases combustibles formados como un resultado de la pirólisis rápida. Tal como se ha expuesto en el presente documento, generalmente, la pirólisis rápida da como resultado al menos una conversión del 65% del material de residuo en un gas útil para la combustión. Aunque no se ha construido como limitativo, se espera que el recipiente 302 utilizado según la presente invención, proporcione un gas que contenga aproximadamente: dióxido de carbono al 2%, monóxido de carbono al 44%, hidrógeno al 43%, metano al 2% y siendo el resto hidrocarburos ligeros. El gas producido en el recipiente 302 se transporta a través del conducto 30 a la unidad 40 de limpieza del gas caliente donde se elimina la ceniza 42 y, por tanto, se separa del gas 44 combustible.

El aire 48 de entrada se introduce en el compresor 46, y el aire 50 que sale del comprensor 46 puede dividirse en varias corrientes de suministro. Por ejemplo, el flujo 50a de aire se alimenta a la cámara 52 de combustión y el flujo de 50b de aire puede alimentarse al recipiente 302.

El gas 44 combustible entra en la cámara 52 de combustión y se combina con el aire 50a. El vapor 54 y los gases calientes producidos en la cámara 52 de combustión accionan la turbina 56, que está conectada al generador 60 a través de 58, de manera que de este modo se genera la electricidad 64. Preferiblemente, la turbina 56 es una turbina altamente eficaz de gas inyectado con vapor. Tales turbinas están disponibles comercialmente.

Para garantizar un funcionamiento autoalimentado, especialmente durante el arranque, puede alimentarse una cantidad variable de gas natural o de otro tipo de combustible 53 a la cámara 52 de combustión (o al motor 55 de combustión interna, tal como se muestra en las figuras 1(b)-1(d).

El agua 68 entra en el sistema 300 a través de la bomba 66 para calentar el sistema 72 de recuperación de vapor, es decir un intercambiador de calor, donde el calor del gas 62 caliente de salida de la turbina se intercambia con el flujo 70. Los gases 74 de escape se separan del vapor 76 en el sistema 72 de recuperación de vapor. Preferiblemente, el vapor 76 se recicla como vapor 78 a la turbina 56 y como vapor 80 al flujo 50b de aire, tal como se muestra en la figura 1(a) respectivamente.

A continuación, con referencia a las figuras 1(b)-1(d), se muestra un proceso de descarga del gas similar al mostrado en la figura 1(a) excepto en que el compresor 46, la cámara 52 de combustión y la turbina 56 de gas se sustituyen por un motor 55 de combustión interna. El motor 55 de combustión interna puede ser más fácil de utilizar y puede ser más rentable que la turbina de gas del compresor, especialmente para las pequeñas unidades regulables de electroconversión de la caldera de fusión y de plasma. El aire 50a y el combustible 53 auxiliar pueden alimentarse al motor 55 de combustión interna de una manera predeterminada, en base a la composición del gas 44 combustible. Preferiblemente, la eficacia del motor 55 proporciona electricidad suficiente para toda o sustancialmente toda la energía eléctrica necesaria para la unidad regulable de electroconversión de la caldera de fusión y plasma.

Aunque no se ha pretendido que sea limitativo, preferiblemente el motor 55 de combustión interna se hace funcionar en un modo muy débil, es decir, una alta relación de aire con respecto al combustible con gas de monóxido de carbono e hidrógeno como combustible. De esta manera, puede producirse electricidad a partir de gas rico en hidrógeno. Al funcionar con relaciones de equivalencia bajas (relaciones de aire/combustible con respecto a las relaciones estequiométricas), en un intervalo de 0,5-0,6, la producción de NO_{x} puede ser enormemente reducida, es decir, en factores de más de 100 con respecto al funcionamiento estequiométrico. Las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburo también deberían ser muy bajas.

Los motores de combustión interna encendidos por chispa son ventajosos porque tales motores son más económicos para las unidades más pequeñas y más fáciles de arrancar y detener que las turbinas. Para facilitar la producción de un nivel deseado de energía eléctrica, particularmente durante el arranque, puede utilizarse energía auxiliar, tal como gas rico en hidrógeno, propano, gas natural o combustible diesel para accionar el motor de combustión interna. La cantidad de combustible auxiliar puede variar dependiendo de la composición de la corriente de residuo, es decir, el valor de calentamiento del material de residuo entrante y la cantidad de material combustible en el material de residuo y los requisitos energéticos para el tratamiento de residuos.

La cámara 320 incluye uno o más calentadores 322, un conducto 326, un conducto 324 de colada de la escoria, un orificio 328 y un colector 336 de escorias. En particular, debido a las diferencias en la gravedad específica, el metal de la capa 332 de metal/escoria se mueve hacia la parte 302b inferior en el recipiente 302. La capa 332 de metal/ escoria sale a través de la abertura u orificio 326a al conducto 326. La escoria 334 se calienta adicionalmente por una cámara 322a y 322b durante un tiempo suficiente para proporcionar un producto homogéneo de escoria. A continuación, la escoria 334 pasa a través del conducto 324 de colada de la escoria y del orificio 328, saliendo de este modo de la cámara 320 al colector 336 de escoria. Cuando el residuo peligroso está siendo tratado, puede ser deseable tener un colector 336 conectado de forma estanca al orificio 328, de manera que ni los gases ni el aire entren ni salgan del sistema a través del mismo. El orificio 328 puede incluir una válvula de control de flujo o similar para controlar la descarga de escorias 334 desde el sistema 320 de calentamiento. El sistema 320 auxiliar de calentamiento se utiliza cuando sea deseable para disminuir la viscosidad de la escoria, con el fin de mantener el nivel de escoria en el recipiente. El sistema auxiliar de calentamiento también compensa la pérdida de calor según se aproxima la escoria a la descarga de la escoria antes de caer en el recipiente para la escoria.

El recipiente 302 de reacción también incluye una pluralidad de electrodos 308a y 308b de CC de calentamiento por efecto Joule. Tal como se muestra adicionalmente en la figura 1(a), los electrodos 308a y 308b pueden colocarse de frente entre sí en los lados 302c y 302d, respectivamente. Además, los electrodos 308a-308b están colocados de manera que se sumerjan en la mezcla de escoria 332 cuando el procedimiento está en funcionamiento.

La figura 1(b) muestra una disposición alternativa para el posicionamiento de los electrodos 308a y 308b según la presente invención. Tal como se ilustra en la figura 1(b), el posicionamiento de los electrodos 308a y 308b facilita la sustitución de los electrodos. Particularmente, este tipo de disposición permite la sustitución de electrodos sin la necesidad del drenaje de la cámara de fusión del horno. El drenaje de la cámara de fusión del horno es indeseable, ya que frecuentemente degrada el revestimiento del horno. Por consiguiente, la colocación de los electrodos 308a y 308b en los ángulos 309a y 309b, respectivamente, mientras se evita simultáneamente que el gas se escape o se libere, facilita la sustitución de los electrodos, según sea necesario. Aunque no se han construido de forma limitativa, preferiblemente los ángulos 309a y 309b de los electrodos 308a y 308b son aproximadamente de 30º-45º, con respecto a los lados interiores respectivos del horno. También puede ser deseable utilizar electrodos metálicos o electrodos recubiertos de grafito para la caldera de fusión calentada por efecto Joule. Pueden colocarse electrodos 338 en cualquier ángulo, siempre que se coloquen en una cara interior de la cámara de fusión. El electrodo o electrodos de plasma de arco están formados preferiblemente de grafito. La parte de la longitud del electrodo justo encima de la parte inferior del electrodo puede recubrirse para disminuir el índice de erosión.

Tal como se muestra adicionalmente en la figura 1(b), los electrodos 308(a) y 308(b) de calentamiento por efecto Joule accionados por CA se introducen preferiblemente a través de los lados 302c y 302d del horno 302, respectivamente. Tal como se ha mencionado anteriormente, preferiblemente los ángulos 309a y 309b de los electrodos están entre aproximadamente 30º-45º, con respecto a los lados interiores respectivos del horno. Preferiblemente, el extremo superior de cada electrodo se extiende fuera de la cubierta metálica del horno y puede cubrirse con una conexión eléctrica que se aislará eléctricamente desde el armazón del horno eléctricamente conectado a tierra. El extremo inferior de cada electrodo se sumerge en un baño fundido hasta una profundidad deseada. Al seleccionar el lugar apropiado del punto de entrada del electrodo bajo la superficie del fundido, ninguna parte del electrodo estará expuesta al arco de CC o radiación desde este arco, aumentando de este modo la vida de este electrodo.

Cuando es necesario sustituir el electrodo 308a y/o 308b, el electrodo gastado se extrae del baño fundido. Si se introduce un nuevo electrodo en el baño sin precalentar el electrodo, el electrodo frío puede provocar que aumente la viscosidad del baño fundido cuando el electrodo contacte con el baño fundido, dificultando de este modo la introducción de este nuevo electrodo en el baño fundido. Por consiguiente, puede ser deseable activar eléctricamente también este electrodo utilizando un suministro especial de energía limitado por la corriente, eléctricamente aislado, que proporcionará de forma segura calor adicional en la unión del baño y del electrodo, para permitir completamente la inmersión del nuevo electrodo en el baño. En una realización preferida, también puede proporcionarse a cada electrodo el aislamiento térmico y eléctrico apropiados, de manera que cada electrodo se aislará tanto térmica como eléctricamente de la cubierta metálica del horno durante el funcionamiento normal.

La figura 1(c) ilustra otra realización de la presente invención, en la que pueden utilizarse serpentines 315a y 315b magnéticos para el mezclado y/o calentamiento inductivo. Con el fin de proporcionar el índice óptimo de fundición, en proporción con la corriente de residuos particular que se está introduciendo en la caldera de fusión combinado con el plasma de arco de CC, puede ser deseable una agitación o mezcla adicionales más allá de lo normalmente producido por la parte de fundición del horno y la parte de arco de CC del horno. Esto puede llevarse a cabo añadiendo serpentines magnéticos colocados estratégicamente, tales como los serpentines 315a y 315b para crear fuerzas J x B superiores que, a su vez, provocan un calentamiento y/o mezcla adicionales en el baño fundido. Los serpentines 315a y 315b pueden colocarse dentro del armazón metálico del horno, pero detrás del conducto refractario del baño de fundido. Alternativamente, si el armazón del horno se fabrica de acero inoxidable no magnético, tal como de grado 304L ó 316, los serpentines pueden colocarse en el exterior del armazón. Los serpentines 315a y 315b están conectados a una fuente de suministro de energía de CA. La frecuencia de la fuente de suministro de energía puede variar dependiendo del material. Esta mejora de la mezcla del baño es un ejemplo del tipo de "regulación" que puede aumentar la vida del electrodo del horno y la producción de residuos.

La figura 1(d) ilustra otra realización de la presente invención, en la que una configuración alternativa del procedimiento de la caldera de fusión y plasma incorpora un segundo sistema 307 de reforzador térmico. Este sistema puede ser un plasma de arco en una cámara para proporcionar la energía térmica necesaria para romper adicionalmente fracciones condensables que salen del proceso primario de la caldera de fusión y plasma. Tal como se muestra en la figura 1(d), por ejemplo, el sistema 307 secundario de reforzador térmico puede colocarse cerca o dentro del

\hbox{orificio 306.}

La conversión de residuos a energía eléctrica para el procedimiento de la caldera de fusión y plasma depende de la máxima conversión de residuos sólidos y líquidos en un gas de producto gaseoso. En los procesos de pirólisis, una parte del gas saliente puede contener líquidos condensables que son aceites de peso ligero a medio. Si puede enfriarse el gas que sale de la cámara primaria de la caldera de fusión y plasma, la licuación de una parte del gas maloliente puede producirse debido a los líquidos condensables presentes a las temperaturas del horno. La cámara secundaria de los gases malolientes del plasma garantiza que estos aceites se conviertan en gases combustibles no condensables que dan como resultado una recuperación mejorada del valor energético de los materiales de residuos entrantes.

Cuando la cámara 307 secundaria de plasma se coloca tal como se muestra en la figura 1(d), el gas que sale de la cámara primaria del horno no desciende de temperatura antes de entrar en la cámara 307 secundaria de plasma porque los dos sistemas están acoplados directamente. Esto minimiza los requisitos energéticos totales para los procesos de gasificación y craqueo.

Adicionalmente a la recuperación mejorada de energía en el efluente gaseoso del proceso de fundición de plasma de arco, la cámara 307 de plasma de gas maloliente elimina adicionalmente especies tóxicas que no se destruyen en la cámara primaria del horno. Esto mejora la eficacia del proceso para destruir todas las especies precursoras, tales como para la formación de furanos y dioxinas. Adicionalmente, cuando se tratan compuestos orgánicos tóxicos volátiles y semivolátiles, la cámara secundaria de plasma puede destruir de manera eficaz todas las especies tóxicas. Debido a que todas las especies condensables que salen del horno se convierten en un gas combustible en la cámara secundaria de plasma, se minimiza la generación secundaria de residuos. Debería apreciarse que la cámara de plasma del gas maloliente no siempre es necesaria, pero puede controlarse independientemente durante el proceso.

Electrodos 314a y 314b de CC, que se forman preferiblemente de grafito, se proporcionan dentro del recipiente de reacción, tal como se muestra en las figuras 1(a)-1(d). Es preferible utilizar grafito como el material del electrodo en lugar de metal, ya que los electrodos de grafito simplifican el proceso y tienen una mayor capacidad de corriente que aquellos utilizados en un soplete metálico. Adicionalmente, los electrodos de grafito requieren menos mantenimiento con respecto a las frecuentes sustituciones de las puntas de los sistemas de sopletes metálicos. Debido a las condiciones anticipadas en la cámara del horno, que incluye tanto los entornos de oxidación parcial como las condiciones que producen la reacción del gas y agua:

C + H_{2}O \rightarrow CO + H_{2}a 600-1000ºC

puede existir un consumo inaceptable de grafito sin provisiones especiales. Por tanto, el(los) electrodo(s) 314 de grafito está preferiblemente recubierto con circonio, carburo de silicio, nitruro de boro u otro recubrimiento protector para minimizar el consumo de grafito y prolongar su vida útil. Por ejemplo, cuando los residuos sólidos municipales, que contienen material carbonáceo se alimentan al recipiente 302, se produce una reacción altamente endotérmica, que requiere aproximadamente 600 k-W-hora/ton de residuos sólidos municipales para convertir el material combustible en gas combustible y material no combustible en escoria.

El electrodo o electrodos 314 puede hacerse funcionar tanto con un arco de CC como CA en el recipiente 302. Sin embargo, es preferible utilizar un arco de CC en el recipiente 302 en lugar de un arco de CA, ya que el uso de un arco de CC mejora la estabilidad del arco y puede reducir el consumo del electrodo. Tal como se muestra en la figura 2, el(los) electrodos 314 suministra el arco 344 que contacta con el material 330 de alimentación. Tal como se muestra en las figuras 1 ó 2, pueden proporcionarse uno o más electrodos 338 adicionales, de manera que, de este modo, se forman salidas positivas 342 (+) y negativas 340 (-).

En las figuras 6(a) y 6(b), se muestran dos tipos de disposiciones de suministro de energía apropiadas para el uso en la presente invención para convertir la energía de CA trifásica en energía de CC, con el fin de iniciar y mantener un arco(s) estable(s) de CC. Tal como se muestra en la figura 6(a), se ilustra un puente tiristor convencional de tres fases de tipo rectificador 200 con un diodo 212 de "bloqueo" o "compensación". El arrollamiento 204 secundario del transformador proporciona una tensión de CA a los tiristores 206a, 206b que rectifican la primera fase 202a. De forma similar, el arrollamiento 204 secundario del transformador proporciona una tensión de CA a los tiristores 206c, 206d que rectifican la segunda fase 202b, mientras el arrollamiento 204 secundario del transformador proporciona una tensión de CA a los tiristores 206e, 206f que rectifican la tercera fase 202c. De esta manera, una fase rectificada designada como 208 en la figura 6(a) se proporciona por los puntos 210a y 210b.

El diodo 212 de "bloqueo" se conecta entre las salidas (-) 218 y (+) 220 del rectificador de puente. En inductor 214 se conecta en serie con un cable de salida aislado entre el diodo 212 de "bloqueo" y el recipiente 302. El inductor 214 se utiliza para suministrar tensión momentánea, necesaria frecuentemente para mantener un arco 344 estable durante el funcionamiento del recipiente 302. La función del diodo 212 de "bloqueo" es proporcionar una trayectoria para la corriente desde el inductor 214, para fluir cuando la corriente del arco 344 de CC excede la tensión del circuito abierto del rectificador.

A continuación, con referencia a la figura 6(b), se muestra otro circuito 230 convencional para convertir la energía de CA trifásica en energía de CC, que es apropiada para el uso en la presente invención. Este tipo de circuito es apropiado para el uso para mantener un arco 344 de CC en el recipiente 302 y se utiliza frecuentemente en sistemas de soldadura de arco de CC. En el circuito mostrado en la figura 6(b), se conectan los reactores 232a, 232b y 232c saturables en serie con uno de los tres arrollamientos secundarios de CA del transformador y con el puente del rectificador trifásico de diodo. La función de los reactores 232a, 232b y 232c saturables es variar la impedancia de la trayectoria de corriente de CA entre el transformador y la entrada de CA al rectificador de diodo, proporcionando de este modo un medio para mantener la cantidad deseada de corriente de CC en el arco 344, aunque la tensión del arco puede variarse rápidamente.

El arrollamiento 204 secundario del transformador en el circuito 230 mostrado en la figura 6(b) puede ser en estrella o en triángulo. Si el arrollamiento 204 secundario está en estrella, entonces el arrollamiento primario (no mostrado en la figura 6(b)) debe estar en triángulo o debe estar en estrella con o sin un retorno neutro.

En el tipo de circuito mostrado en la figura 6(b) no es necesario un diodo de "bloqueo", porque los diodos en el rectificador de puente proporcionan esta función. El inductor 214 se utiliza para suministrar la tensión de arco momentánea necesaria para mantener un arco de CC estable en el recipiente.

Es importante, tanto que el rectificador de tipo tiristor como el de tipo de reactor saturable tengan una tensión de corriente de CC abierta lo suficientemente alta como para exceder normalmente la tensión de arco de CC. También es importante que el tipo de suministro de energía sea capaz de sostener una magnitud preestablecida de corriente de CC mientras la tensión de arco está comprendida de cero a, al menos, un 90% de la tensión normal del rectificador de circuito abierto, incluso si la tensión de arco varía rápidamente.

Si la parte de arco del recipiente 302 se acciona con energía de CA en lugar de CC, entonces es preferible el tipo de circuito de reactor saturable mostrado en la figura 6(b), ya que proporcionará un mayor grado de estabilidad al arco que un conmutador de CA de tipo tiristor convencional.

El contacto con el arco y con la gravedad específica de los metales presentes en el material 330 d0e residuo, da como resultado la formación de tres fases o capas en el recipiente 302: una capa metálica, una capa de escoria y una capa gaseosa. El modo primario de funcionamiento del recipiente 302 es la pirólisis. Sin embargo, para ayudar al tratamiento de grandes cantidades de materiales combustible puede requerirse el funcionamiento en un modo de oxidación parcial.

Una configuración del sistema 300 integrado implica el uso de condensadores 356 y una disposición específica en la distribución de la potencia. Tal como se muestra en la figura 2, se ilustra una cámara 302 de fusión calentada por efecto Joule monofásica y un plasma de arco que tiene un par único de electrodos 314 y 338 para el arco 344. Preferiblemente, la parte calentada por efecto Joule de la cámara 302 de fusión utiliza el suministro 346 de energía de CA, mientras la parte de arco de la cámara 302 de fusión utiliza el suministro 348 de energía de CC.

\newpage

La realización preferida mostrada en la figura 2, utiliza la combinación de los sistemas 348, 346 de energía de CA y de CC, respectivamente, que suministran energía a los electrodos en el recipiente único en el tanque 302 de fusión, en el que el material 330 de residuo está sometido a un tratamiento a un proceso de conversión, que incluye la vitrificación. Un circuito especial es necesario porque la corriente 314, 338 de arco de CC interactuará con los electrodos 308a, 308b de CA de calentamiento por efecto Joule, a menos que se lleven a cabo etapas especiales para evitar la interacción. Tales interacciones pueden provocar el fallo de los transformadores, que proporcionan energía a los electrodos de calentamiento por efecto Joule. Este circuito permite el control completamente independiente del plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule.

Si los electrodos de arco de CA trifásica, bifásica o monofásica se utilizan en lugar de los electrodos de arco de CC, puede existir todavía una interacción entre el circuito de arco de CA y el circuito de CA de calentamiento por efecto Joule. Aunque la interacción de CA-CA es bastante compleja, existen muchas interacciones dependientes que pueden producirse, y bajo estas circunstancias, a menudo es difícil controlar la erosión localizada de los electrodos y del calentamiento. Por consiguiente, es preferible utilizar un circuito de arco de CC en combinación con un circuito de CA calentado por efecto Joule.

El suministro 348 de energía de CC incluye el inductor 360, el arrollamiento 362 primario, los arrollamientos 366a, 366b y 366c secundarios y los reactores 364a, 364b y 364c saturables. Preferiblemente el arrollamiento 362 primario está en triángulo. Los reactores 364a, 364b y 364c saturables están conectados en serie respectivamente con los arrollamientos 366a, 366b y 366c secundarios.

Si la corriente 348 de CC pasa a través del material 330 de residuo y el baño 332 de fusión del metal/escoria, que tiene los electrodos 308a, 308b sumergidos de CA de calentamiento por efecto Joule conectados directamente a las terminales del transformador 352, sin medio alguno de bloqueo del flujo de la corriente 348 de CC a través de los arrollamientos del transformador 352, el núcleo del transformador 352 se satura. Esto da como resultado un aumento de la corriente en el arrollamiento 350 primario del transformador 352 haciendo que el transformador 352 falle en un periodo de tiempo muy breve. Con el fin de hacer funcionar simultáneamente el plasma de arco y la caldera de fusión calentada por efecto Joule en el recipiente 302, es necesario por tanto, continuar pasando la corriente 346 de CA a través del baño 332 de fusión para el calentamiento por efecto Joule, mientras se bloquea simultáneamente el flujo 348 de corriente de CC. El condensador 356 se utiliza para bloquear la corriente 348 de CC y para pasar la corriente 346 de CA. Preferiblemente, el condensador 356 está conectado en serie con cada arrollamiento 354 secundario del transformador para equilibrar la corriente en cada una de las fases durante una amplia variedad de condiciones de funcionamiento del horno. Tal como se muestra adicionalmente en la figura 2, el condensador 356 se conecta al arrollamiento 354 secundario, que está conectado al reactor 358 saturable.

Las figuras 3(a) y 3(b) muestran una disposición de circuito que es apropiada para su uso en la presente invención. Particularmente, el suministro 346 de energía de CA trifásica se ilustra en la figura 3(a), mientras el suministro 348 de energía de CC se ilustra en la figura 3(b). El circuito incluye la inductancia de cada trayectoria de la corriente de CA en el recipiente o en la cámara 302 de fusión, tal como se refleja a través de todo el sistema 346 de energía de CA, la resistencia no lineal de la trayectoria de corriente a través del baño de fusión 332, las superficies de contacto de los electrodos, los cables de alimentación de energía, y arrollamientos 372a, 372b y 372c, secundarios del transformador 376 y la magnitud de la capacitancia de los condensadores 370a, 370b y 370c que está conectada como un elemento en serie en el circuito del horno de calentamiento por efecto Joule. La energía 346 de CA también incluye un arrollamiento 350 primario, reactores 374a, 374b y 374c saturables, y electrodos 368a-368f. Los reactores 374a, 374b y 374c saturables están conectados respectivamente a los arrollamientos 372a-372c secundarios.

Debido a que la corriente de CA raramente es sinusoidal en un circuito que está en serie con un resistor no lineal, tal como el circuito de horno de calentamiento por efecto Joule, es posible excitar varias frecuencias armónicas distintas de 60 hercios, que están superpuestas en la onda sinusoidal de 60 hercios suministrada por la empresa de servicios. En este circuito, es importante considerar la resistencia no lineal y especificar los componentes eléctricos para alcanzar una humedad apropiada y, por tanto, un funcionamiento estable. También es importante que los índices de tensión, de corriente, y de capacitancia del condensador sean tales, que la frecuencia resonante de serie de toda la inductancia del sistema en los electrodos del horno sea tal que el valor mínimo de resistencia, tal como se ha observado en estos mismos electrodos cuando se mira en el horno, más la resistencia eficaz de 60 Hercios sea igual o mayor que 1,5 y preferiblemente, 2 veces superior a (L/C)^{1/2}, donde L es la inductancia total del sistema de energía y C es la capacitancia de los condensadores 370a, 370b y 370c. La resistencia R eficaz total debería ser 2 veces (L/C)^{1/2}, pero cualquier aumento resonante en la corriente es insignificante si éste es 1,5 veces (L/C)^{1/2}.

Tal como se muestra en la figura 3(b), el sistema 348 eléctrico puede tener un transformador de energía con un arrollamiento 384a-384c secundario en triángulo o en estrella. El arrollamiento 382 primario está preferiblemente en triángulo. Tal como se muestra también en la figura 3(b), el rectificador de energía es preferiblemente un rectificador trifásico de onda completa. El rectificador puede ser un rectificador de tiristor controlado por corriente tal como se muestra en la figura 6(a), es decir, un rectificador controlado por silicio, en el que la corriente ánodo-cátodo está controlada por una señal aplicada a un tercer electrodo. Alternativamente, el rectificador puede ser un rectificador trifásico de diodo de onda completa con el control de corriente de CA, para mantener la corriente de CC deseada, tal como se ilustra en la figura 6(b). Si se utiliza un rectificador de tiristor, es importante que se sitúe un diodo de compensación de corriente de velocidad completa en las terminales 378a, 378b de salida de CC. No es necesario añadir un "diodo bloqueo" o de "compensación" cuando se utilice un rectificador trifásico, ya que bastarán los diodos del rectificador.

Para un horno de arco de CC, es preferible utilizar un rectificador trifásico de diodo de onda completa con control 386a-386c del reactor saturable. Independientemente del tipo de suministro de energía que se utilice, es importante que un inductor se conecte en serie con el conducto de alimentación de CC que no esté conectado a tierra. Este reactor es necesario para suministrar rápidamente energía cuando las condiciones del horno son tales que la tensión de arco de CC aumenta repentinamente.

Se utiliza un producto refractario para el recipiente 302 lineal. El producto refractario puede estar formado de cualquier material apropiado capaz de manipular temperaturas necesarias para tratar el material de residuo. Por ejemplo, y aunque no es limitativo, el recipiente 302 y las partes del producto refractario pueden estar formados de cerámica o grafito. Si la parte inferior del interior de la cámara 302 de fusión o del horno está realizada de un producto refractario apropiado, tal como cerámica o similar, y cuando está caliente es un conductor eléctrico pobre, el contraelectrodo 380 puede formarse realizando una parte de la parte inferior del horno 302 entre los electrodos 368a-368f de calentamiento por efecto Joule y a continuación, aumentar ligeramente el tubo de drenaje del metal fundido, de manera que un baño de metal permanezca en este rebaje en la parte inferior del horno, incluso tras el drenaje del metal. Este metal puede actuar como un contraelectrodo 380 para el circuito de calentamiento por efecto Joule de CA y puede utilizarse simultáneamente como un electrodo de circuito de arco de CC.

El electrodo 380 metálico de la parte inferior del horno puede conectarse utilizando varias configuraciones, tales como las mostradas por los diagramas de circuito de la figura 3(b). En cualquier caso, es preferible tener uno o más electrodos a través de la parte inferior del horno o de la caldera de fusión. Los electrodos pueden ser de grafito o de metal. Debería señalarse que los circuitos de la figura 3(b) y de la figura 5, respectivamente, incluyen conmutadores 388 y 436 en serie con la conexión eléctrica al electrodo 380 y 426 metálico. La función de estos conmutadores es permitir que el arco de CC o arcos funcionen tanto en el modo de transferencia como de no transferencia, o en una combinación de ambos modos simultáneamente.

Si la configuración física del horno 302 (mostrada en las figuras 1-2) es apropiada para el uso de dos electrodos controlables independientemente colocados, entonces los electrodos de arco de CC y los electrodos de calentamiento por efecto Joule de CA puede funcionar simultáneamente sin interacción eléctrica perjudicial, pero con una interacción beneficiosa para la vitrificación de todos los tipos de residuos, incluyendo los residuos peligrosos y los residuos de los hospitales.

Las configuraciones de los electrodos en el horno o recipiente 400 mostrado en las realizaciones de la invención en las figuras 4(a) y 4(b) son apropiadas para su uso como control remoto de las instalaciones. La figura 4 ilustra dos esquemas que muestran distintas vistas en planta para la construcción del horno. La figura 4(a) muestra una construcción alargada, mientras que la figura 4(b) muestra una construcción redonda. Aunque ambas configuraciones pueden utilizar uno, dos o más electrodos de grafito sólido, es preferible el uso de la configuración alargada con dos electrodos (tal como se muestra en la figura 4(a)), ya que este diseño se presta a dos sistemas separados de aumento del pequeño diámetro del electrodo, cada uno alojado en su propia envoltura cilíndrica. Cualquier o todos los electrodos 402a-402f de calentamiento por efecto Joule pueden conectarse al condensador en serie como contraelectrodos 404a-404b para el sistema de arco de CC. Los electrodos 402a-402f de calentamiento por efecto Joule también pueden conectarse en serie con el electrodo 406. En este caso, el conmutador 388 también está incluido, tal como se muestra en la figura 3(b). Al ajustar la cantidad de corriente de CA, de manera que su valor pico excede ese valor de corriente de arco de CC portada por los electrodos 404a-404f de calentamiento por efecto Joule, siempre existirá una inversión de corriente que tenderá a minimizar la polarización en estos electrodos.

Dependiendo del tipo de material de residuo que está siendo tratado, puede ser deseable conectar el suministro 412 de energía de CC del sistema 438 neutro al electrodo 422a, 422e y 422c de calentamiento por efecto Joule de CA, que son los electrodos conectados a los condensadores 416a-416c de CA, respectivamente, y que se utilizan para bloquear el flujo de corriente de CC a través de los arrollamientos 418a-418c secundarios de los transformadores, tal como se muestra en la figura 5. La conexión del suministro 412 de energía de CC y del suministro 410 de energía de CA se indica en la figura 5 como el conducto 438. La razón de utilizar esta conexión es proporcionar tres contraelectrodos de CC adicionales próximos a la superficie del baño 332 de fusión durante el templado del horno, de manera que la corriente 428 neutra de transferencia de CC puede fluir y ayudar a estabilizar los arcos de CC positivos (+) y negativos (-), antes de que el material directamente encima del contraelectrodo en la cámara de fusión esté lo suficientemente caliente para conducir la corriente de CC lo suficiente para ayudar a estabilizar los arcos de CC.

También es deseable tener tres conmutadores 434a-434c en serie con el neutro y los electrodos 422a, 422e y 422c, con el fin de controlar la magnitud de la corriente de CA y de CC entre los electrodos 422a-422f. El sistema 410 de suministro de energía de CA incluye el arrollamiento 414 primario, los arrollamientos 418a-418c secundarios conectados respectivamente a los reactores 420a-420c saturables. El suministro 412 de energía de CC incluye inductores 424a, 424b y arrollamientos 430a-430c secundarios conectados respectivamente a los reactores 432a-432c saturables.

El suministro 410 de energía de calentamiento por efecto Joule de un tanque de fusión de vidrio proporciona temperaturas de fundición casi constantes por todo el tanque de vidrio, minimizando de este modo las limitaciones de tamaño para el arco, es decir, la energía de arco, el diámetro de electrodo, y similares. El arco de CC está presente primeramente en la caldera de fusión y en el horno para aumentar la velocidad de alimentación. Esto hace que esta tecnología de la caldera de fusión recientemente configurada sea más flexible que cualquier otro sistema de vitrificación disponible. El arco suministra la energía en el recubrimiento no fundido de caudal entrante, y la parte calentada por efecto Joule del sistema de caldera de fusión mantiene el baño de vidrio caliente para garantizar la disolución completa y mezclar la mezcla de vidrio.

Si la tecnología de arco se utiliza en solitario, la proporción del diámetro de electrodo de la cámara de fusión debería ser grande para garantizar que los contenidos de la cámara de fusión se funden lo suficiente, no sólo en el centro de la cámara de fusión, sino también en las paredes de la cámara de fusión. Por tanto, el tamaño de la cámara de fusión debería limitarse debido a las limitaciones prácticas en el diámetro del electrodo. Sin embargo, cuando el tanque de vidrio o la cámara de fusión se calientan por el efecto Joule, esta limitación deja de existir y el tanque puede estar dimensionado para garantizar que el tiempo de residencia sea apropiado para completar la mezcla y disolución de todos los componentes de vidrio.

Si la tecnología de la caldera de fusión se utilizara sin el arco, las velocidades de alimentación serían mucho más bajas debido a las limitaciones en la transferencia de calor desde el baño de fusión al caudal no fundido sobre el vidrio fundido. Para adaptarse a los numerosos requisitos, el enfoque estándar es aumentar la zona de superficie de fundición. Por consiguiente, para una velocidad de tratamiento determinada, la caldera de fusión calentada por efecto Joule necesitaría ser mucho más grande que el sistema combinado de fusión y arco de la presente invención. La presente invención utiliza los beneficios, tanto de las tecnologías de caldera de fusión calentada por efecto Joule de CA como del arco de CC, y lo hace de este modo en un sistema único optimizado.

Pueden utilizarse múltiples electrodos de arco para arrancar o reiniciar este sistema combinado, pero una vez que la caldera de fusión está calentada, puede utilizarse el calentamiento por efecto Joule para mantener un baño de fusión durante largos periodos de reposo. Eso significa que el arco puede iniciarse inmediatamente en el modo transferido para el arranque o reinicio de las operaciones de arco.

La combinación del horno de plasma de arco y de la caldera de fusión calentada por efecto Joule según la presente invención, prevé un método de calentar rápidamente el material de residuo de alimentación, dando como resultado velocidades superiores de tratamiento para un proceso de tamaño determinado. La rápida velocidad de calentamiento también da como resultado la producción de una calidad superior del gas de pirólisis. Se recupera más energía y existe menos polución en las emisiones gaseosas. Adicionalmente, la caldera de fusión calentada por efecto Joule de la presente invención proporciona un depósito más grande con mezclado demostrado para producir un producto de vidrio homogéneo con una estabilidad muy alta. Esto es beneficioso, ya que el producto de vidrio vitrificado es estable por encima de cuadros temporales geológicos. Véase por ejemplo, Buelt et al, In Situ Vitrification of Transuranic Wastes: Systems Evaluation and Applications Assessment, PNL-4800 Suplemento 1, Pacific Northwest Laboratory, Richland, WA. (1987). Adicionalmente, la presente invención proporciona una reducción de volumen adicional a través de la vitrificación de la ceniza en comparación con la ceniza que se generaría únicamente con la incineración. Véase, Chapman, C., Evaluation of Vitrifying Municipal Incinerator Ash, Ceramic Nuclear Waste Management IV, Ceramic Transactions, G.G., Wicks, Ed., Vol. 23, pp.223-231, American Ceramic Society (1991).

Tal como se ha expuesto anteriormente, la presente invención proporciona un método que facilita la pirólisis rápida. La pirólisis rápida da como resultado un gas de pirólisis que tiene una pureza superior que otros medios de pirólisis. El gas de alta pureza facilita el uso con la tecnología de turbina de gas de alta eficacia desarrollada recientemente, lo que significa el incremento de la eficacia en comparación con las turbinas de vapor convencionales y el descenso del tamaño requerido de la unidad de la turbina. El arco de CC proporciona una fuente de calor a alta temperatura para llevar a cabo de manera eficaz la pirólisis rápida. Graef, et al., Product Distribution in the Rapid Pyrolysis of Biomass/Lignin for Production of Acetylene, Biomass as a Nonfossil Fuel Source, American Chemical Society (1981) han mostrado que bajo condiciones, tales como las encontradas en un horno de plasma, el residuo sólido municipal puede pirolizarse en un producto gaseoso, tal como se muestra en la tabla 1.

TABLA 1 Composición de gas de la pirólisis de RSM en el horno de plasma

	Pirólisis rápida	Pirólisis normal
Porcentaje de conversión en gas
útil para combustión	> 65%	45% - 50%
Especies de gas	Pirólisis rápida	Pirólisis normal
CO_{2}	2%	10%
CO	44%	50%

TABLA 1 (continuación)

	Pirólisis rápida	Pirólisis normal
Porcentaje de conversión en gas
útil para combustión	> 65%	45% - 50%
Especies de gas	Pirólisis rápida	Pirólisis normal
H_{2}	43%	Trazas
CH_{4}	2%	38%
HC ligeros	resto	resto
HHV (10^{4}J/m^{3}) [BTU/SCF]	1,0-1,2[350-400]	0,90-1,0 [300-350]

Es importante señalar que al comparar la pirólisis normal con la pirólisis rápida, una mayor parte de residuo entrante se convierte en gas. La pirólisis normal o térmica fomenta la licuación dando únicamente el 45-50% de la conversión en gases de pirólisis, mientras que la pirólisis rápida tiene producciones de gas superiores al 65%. La pirólisis rápida de residuos municipales ha demostrado utilizar un soplete de plasma de metal, de agua fría. Véase, Carter, et al., Municipal Solid Waste Feasibility of Gasification with Plasma Arc, Industrial and Enviromental Applications of Plasma, Proceedings of de First International EPRI Plasma Symposium (mayo de 1990). En el modo de oxidación parcial de funcionamiento, el residuo de ambas técnicas se oxida para cumplir los requisitos de energía de pirólisis.

Se pretende que los gases de pirólisis producidos según la presente invención sean apropiados para la combustión en un generador de turbina de gas de alta eficacia, del estado de la técnica. Con la eficacia de los nuevos sistemas cíclicos combinados con la turbina de gas que se aproxima al 50%, el presente método de conversión de residuos en energía proporciona una alternativa eficaz para los incineradores estándar de residuos. Bajo condiciones desfavorables, los sistemas de generador de vapor e incinerador alcanzan una eficacia del 15-20% en la conversión de energía potencial contenida en el residuo a energía eléctrica utilizable.

Una comparación ilustrativa profética del sistema completo de conversión de residuos de la presente invención con los sistemas de generador de vapor e incinerador estándar se resume en la tabla 2.

TABLA 2 Balances relativos de energía e información del coste neto para el horno de arco y la caldera de fusión calentada por efecto Joule frente. a la tecnología del generador de vapor e incinerador estándar (Base = 1 ton RSM)

	Caldera de fusión-Horno de arco	Incinerador
Requisitos de energía para hacer funcionar	2,2 x 10^{9}J [2,1 x 10^{6} BTU]	---
el sistema
HV en RSM entrantes	1 x 10^{10}J [1 x 10^{7} BTU]	1 x 10^{10}J [1 x 10^{7} BTU]
Pérdidas	3,3 x 10^{9}J [3,1 x 10^{6} BTU]	9,3 x 10^{9}J [8,8 x 10^{6} BTU]
HV en el gas saliente	9,5 x 10^{9}J [9 x 10^{6} BTU]	---
Eficacia para la conversión eléctrica	0,4	0,15
Energía neta (producida eléctricamente)	1,6 x 10^{9}J [1,5 x 10^{6} BTU]	1,6 x 10^{9}J [1,5 x 10^{6} BTU]
Valor de electricidad ( \textdollar 0,05/Kwh) ( \textdollar )	22,00	22,00
Costes de distribución incluyendo el	---	15,00 a 75,00
transporte ( \textdollar )
Coste neto/Ingresos ( \textdollar )	(+) 22,00	(+) 7,00 a (-) 53,00
HV = valor de calor; RSM = residuo sólido municipal

Se hace una suposición para la comparación de las dos tecnologías, particularmente que el producto de escoria o de vidrio producido en el horno de arco de la presente invención es un producto útil, aunque no se ha asignado un valor al vidrio para esta comparación. Como mínimo, sin embargo, este material es un material estable no peligroso, que puede desecharse fácilmente en un vertedero no peligroso. También se supone que el incinerador de residuos sólidos municipales (RSM) utilizado en una zona altamente habitada, tal como los del noroeste de Estados Unidos , produce ceniza que puede enviarse a un vertedero estándar o a un vertedero de residuos peligrosos. La energía y los costes vienen dados en toneladas de RSM tratados en base a los datos actualmente disponibles.

Los requisitos de energía para hacer funcionar el sistema vienen dados en base relativa, es decir, el valor mostrado como "requisitos de energía para hacer funcionar el sistema" para la caldera de fusión y horno de arco, es aquel en exceso de que lo se requiere para el incinerador. El valor de calentamiento entrante del residuo es un valor del compuesto a partir de múltiples referencias. Véase por ejemplo, Carter, et al., Municipal Solid Waste Feasibility of Gasification with Plasma Arc, Industrial and Enviromental Applications of Plasma, Proceedings of the First internacional EPRI Plasma Symposium (mayo de 1990); Renewable Energy-Resources for Fuels and Energy, Johansson, Editor, Island Press, Washington, D.C. (1993); y Clean Energy from Waste & Coal, Kahn, Editor, American Chemical Society Symposium Series, American Chemical Society, Washington, D.C. (agosto de 1991, publicado en 1993). La energía neta producida para cualquier opción se determinó utilizando una eficacia al 40% y al 15% para el generador de turbina de gas de caldera de fusión y horno de arco, y para las opciones del generador de turbina de vapor, hervidor e incinerador, respectivamente. Véase Clean Energy from Waste & Coal, Kahn, Editor, American Chemical Society Symposium Series, American Chemical Society Washington, D.C. (agosto de 1991, publicado en 1993); y Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6ª edición, Ch. 26. Las pérdidas presentadas en la tabla 2 son la diferencia entre el valor de calor entrante en el residuo y la entrada de energía menos la salida de energía neta. Las pérdidas para la opción del incinerador son más altas debido a las ineficacias de la combinación del hervidor y del generador de vapor en oposición a los generadores de turbina accionados por gas de pirolisis. Véase Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6ª edición, Ch. 26. Los costes de distribución para los valores que representan la ceniza, se obtuvieron a partir de la bibliografía y de los datos actualmente disponibles a partir de las prestaciones de manipulación de residuos. Véase, por ejemplo, Recycling and Incineration, Dension, et al., Ed., Island Press, Washington, D.C. (1990). Si las nuevas reglas y las tendencias actuales que implican la manipulación de cenizas como un residuo peligroso continuo, los costes de distribución estarían en el extremo superior del intervalo facilitado en la tabla 2. Bajo estas circunstancias, la presente invención, que utiliza la combinación de caldera de fusión y horno de arco proporciona una ventaja adicional sobre la técnica anterior.

Aquellos expertos en la técnica deberían apreciar que las realizaciones específicas anteriormente descritas pueden utilizarse fácilmente como una base para modificar o designar otras estructuras para llevar a cabo el mismo propósito de la presente invención. Aquellos expertos en la técnica también deberían darse cuenta de que tales construcciones equivalentes no se apartan del alcance de la invención, tal como se expone en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco, que incluye:

un medio dispuesto para generar un plasma (344) de arco en la parte superior o dentro de un baño (332) de fusión en la unidad (300); y

un medio dispuesto para proporcionar calentamiento volumétrico por efecto Joule en el baño (332) de fusión, estando configurado el medio para generar el plasma (344) de arco y el medio dispuesto para proporcionar calentamiento volumétrico por efecto Joule, de tal manera que cada uno sea independientemente controlable, estando caracterizada la unidad porque ambos medios para calentar son independientemente controlables durante el funcionamiento simultáneo, con el fin de proporcionar proporciones continuamente regulables de energía de calentamiento por el plasma de arco y por el calentamiento volumétrico por efecto Joule.

2. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco, según la reivindicación 1, en la que:

el medio para generar el plasma de arco incluye al menos un electrodo (314) de plasma de arco o al menos un electrodo de plasma de arco de transferencia;

el medio para proporcionar calentamiento volumétrico por efecto Joule incluye una pluralidad de electrodos (308) de calentamiento por efecto Joule, una primera fuente (348) de suministro de energía conectada, al menos, a un electrodo (314) de plasma de arco, siendo generado el plasma (344) de arco entre, al menos, un electrodo (314) de plasma de arco y el baño (332) de fusión;

una segunda fuente (346) de suministro de energía conectada a la pluralidad de electrodos (308) de calentamiento por efecto Joule y configurada para proporcionar el calentamiento volumétrico por efecto Joule en el baño (332) de fusión; y

en la que la primera (348) y la segunda (346) fuentes de suministro de energía están configuradas de manera que

(i) cada una es independientemente controlable sin interacción eléctrica perjudicial entre sí.

3. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2, en la que la unidad (300) comprende adicionalmente una pluralidad de serpentines (315) de mezclado y/o de calentamiento inductivo en una posición predeterminada relativa a la unidad (300), o la pluralidad de electrodos (308) de calentamiento por efecto Joule está colocada a distancias predeterminadas desde una superficie (302B) inferior de la unidad (300).

4. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2, en la que la unidad comprende adicionalmente:

un primer orificio (306) de descarga colocado para descargar gases desde la unidad;

un segundo orificio (310) de descarga colocado para descargar el metal desde la unidad; y

un tercer orificio (326) de descarga colocado para descargar escoria desde la unidad;

medios para alimentar el material (330) de residuo a la unidad (300) de conversión de residuos, de manera que una capa metálica, una capa (40) de escoria y una fase gaseosa se forman en la unidad (300);

una unidad (40) de limpieza de gas acoplada a la unidad (300), estando la unidad (40) de limpieza de gas configurada para separar los gases descargados desde la unidad (300) en gas (44) combustible y materia particulada;

una unidad (52) de turbina de gas que genera electricidad o una unidad (55) generadora o de motor de combustión interna acoplada a la unidad (40) de limpieza, en la que la unidad generadora está configurada para utilizar el gas (44) combustible desde la unidad (40) de limpieza para producir electricidad (64); y un medio para introducir una cantidad predeterminada de combustible (53) auxiliar a una velocidad predeterminada en la unidad generadora.

5. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 4, en la que el generador se elige para utilizarse como un combustible (53) auxiliar de aceite de calentamiento, combustible diesel o de gas natural.

6. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2 ó 4, en la que la segunda fuente (346) de suministro de energía es una fuente de suministro de energía de CA, que comprende:

un transformador (376) que tiene un arrollamiento (350) primario y al menos un arrollamiento (372) secundario;

al menos un condensador (370) conectado en serie con el arrollamiento (372) secundario del transformador y conectado a un primer electrodo (308) de calentamiento por efecto Joule de la pluralidad; y

al menos un reactor (374) saturable conectado en serie con el arrollamiento (372) secundario del transformador (376) y conectado a un segundo electrodo (308) de calentamiento por efecto Joule de la pluralidad,

en la que la primera fuente (348) de suministro de energía es una fuente de suministro de energía de CC.

7. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2 ó 4, que incluye adicionalmente al menos un orificio (310) de descarga de metal y al menos un orificio (326) de descarga de escoria en posiciones predeterminadas en el sistema.

8. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 7, en el que el orificio (310) de descarga de metal está colocado cerca de una superficie (302B) inferior de la unidad; o el orificio (326) de descarga de escoria se extiende hacia arriba en un ángulo predeterminado relativo a una superficie lateral de la unidad (302D), y en la que el orificio de descarga de escoria está colocado sobre una superficie (302B) inferior de la unidad y bajo una superficie del baño (332) de fusión.

9. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 7, que incluye adicionalmente una cámara (320) de calentamiento auxiliar acoplada al orificio (326) de descarga de escoria.

10. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2 ó 4, en la que la unidad (300) está en forma de una cámara alargada.

11. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2, 4 ó 10, en la que el número de electrodos (314) de plasma de arco es al menos dos.

12. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2 ó 4, en la que se colocan seis electrodos (308) de calentamiento por efecto Joule en la unidad (300), estando cada uno de los seis electrodos (308) de calentamiento por efecto Joule conectado a la segunda fuente (346) de suministro de energía y configurado para proporcionar calentamiento volumétrico por efecto Joule en el baño (332) de fusión.

13. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2 ó 4, en la que al menos un electrodo (314) de plasma de arco es un electrodo de grafito.

14. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2, en la que al menos un electrodo (314) de plasma de arco incluye un recubrimiento protector.

15. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2, en la que el medio de calentamiento por efecto Joule está configurado para mantener el baño (332) de fusión en un estado fundido.

16. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 2, en la que la primera fuente de suministro de energía es una fuente de suministro de energía de CC, que comprende:

un transformador que tiene al menos un arrollamiento secundario;

al menos un reactor saturable que tiene un primer extremo y un segundo extremo, estando conectado el primer extremo del reactor saturable al menos a un arrollamiento secundario;

medios de rectificación que tienen una entrada de CA y una salida de CC, estando la entrada de CA en contacto eléctrico con el segundo extremo de al menos un reactor saturable;

un inductor que tiene un primer extremo y un segundo extremo, estando el primer extremo en contacto eléctrico con la salida de CC de los medios de rectificación; y

al menos un electrodo de plasma de arco que tiene un extremo de arco y un extremo de conexión, estando el extremo de conexión en contacto eléctrico con el segundo extremo del inductor, estando el extremo de arco colocado para ser capaz de generar el plasma de arco en la parte superior de o dentro del baño de fusión común.

17. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 1, en la que el medio para generar el plasma de arco incluye:

al menos un electrodo (314) de plasma de arco de transferencia;

al menos un contraelectrodo (338);

una fuente (348) de suministro de energía de CC conectada al menos a un electrodo (314) de plasma de arco de transferencia, de manera que puede generarse un plasma (344) de arco estable al menos entre un electrodo (314) de plasma de arco y un baño (332) de fusión; y

el medio para proporcionar calentamiento volumétrico por efecto Joule incluye:

primer, segundo, tercer, cuarto, quinto y sexto electrodos (368) de calentamiento por efecto Joule; y

una fuente (346) de suministro de energía de CA conectada a los electrodos (368) de calentamiento por efecto Joule y configurada para proporcionar el calentamiento volumétrico por efecto Joule en el baño de fusión, comprendiendo la fuente (346) de suministro de energía:

un medio (376) transformador que tiene tres arrollamientos (350) primarios y primer, segundo, y tercer arrollamientos (372) secundarios;

primer, segundo y tercer condensadores (370) estando conectados en serie respectivamente con el primer, segundo, y tercer arrollamientos (372) secundarios del medio (378) transformador, y estando conectado cada uno respectivamente al primer, segundo y tercer electrodos (368a, b, c) de calentamiento por efecto Joule; y

primer, segundo y tercer reactores (374) saturables estando conectado cada uno respectivamente en serie con el primer, segundo, y tercer arrollamientos (372) secundarios del medio (376) transformador y estando conectado cada uno respectivamente al cuarto, quinto y sexto electrodo (368d, e, f) de calentamiento por efecto Joule;

en la que las fuentes de suministro de energía de CA y CC están configuradas de manera que cada una se hace funcionar simultáneamente sin interacción eléctrica perjudicial entre sí; y

en la que las fuentes de suministro de energía de CA y CC están independientemente controladas durante el funcionamiento para proporcionar cantidades predeterminadas de calor de plasma de arco y calor de efecto Joule, de manera que el material (330) de residuos introducido en la unidad forma un gas, escoria vitrificable y metal cuando está expuesta al calor de plasma de arco y de manera que el calor por efecto Joule está configurado para mantener el baño (332) de fusión en un estado fundido.

18. Unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco de la reivindicación 17, en la que la fuente (412) de suministro de energía de CC está configurada para proporcionar un funcionamiento estable de arco de transferencia.

19. Método de funcionamiento de una unidad (300) integrada de conversión de residuos de caldera de fusión calentada por efecto Joule y de plasma de arco según cualquier reivindicación anterior, que comprende

controlar el medio dispuesto para generar un plasma de arco y el medio dispuesto para proporcionar calentamiento volumétrico por efecto Joule independientemente; estando caracterizado el método porque:

ambos medios para calentar se controlan independientemente mientras se hacen funcionar simultáneamente.