Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsorgung gefähr
licher oder hochenergetischer Materialien, bei dem diese
in einem druckfesten Gehäuse unter kontrollierten Bedin
gungen zur einer Reaktion gebracht werden, deren Endpro
dukte ungefährlich sind, sowie
eine Vorrichtung zur Entsorgung gefährlicher oder hoch
energetischer Materialien mit einem druckfesten Gehäuse,
in dem die Materialien unter kontrollierten Bedingungen
zu einer Reaktion bringbar sind, deren Endprodukte unge
fährlich sind.
Zu den "gefährlichen oder hochenergetischen" Materialien,
deren Entsorgung sich die vorliegende Erfindung zum
Ziel gesetzt hat, zählen insbesondere Sprengstoffe oder
Munition, bei deren kontrollierter Sprengung große Mengen
mechanischer und thermischer Energie frei werden. Die
Erfindung eignet sich aber darüber hinaus auch zur Ent
sorgung anderer gefährlicher Substanzen, die mit bestimm
ten Chemikalien sowohl in exothermen als auch endothermen
Reaktionen zu den gewünschten ungefährlich Endprodukten
umgesetzt werden müssen.
Zur Entsorgung von Sprengstoffen oder Explosivstoffen
ist es bekannt, diese in ein druckfestes Gehäuse einzubrin
gen und dort kontrolliert zur Detonation zu bringen. Ein
Beispiel hierfür findet sich in der WO 97/43594 A1.
Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen bzw. Verfah
ren ist, daß die Entsorgung nur chargenweise stattfinden
kann und der Ablauf der Reaktion schwer steuerbar ist.
Die EP 0 075 899 B1 betrifft allgemein den Transport
von Feststoffen mittels eines Wanderbettes, ohne jedoch
einen Bezug zur Entsorgung von Materialien herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
der eingangs genannten Art so fortzubilden, daß ein
kontinuierlicher Betrieb möglich und der Ablauf der
Reaktion gut kontrollierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die zu entsorgenden Materialien mit einem Schüttgut
vermischt werden, mit dem zusammen sie ein Wanderbett
bilden, wobei die Reaktion in einem gewissen Abstand
von der Oberfläche im Inneren des Wanderbettes eingeleitet
wird.
Erfindungsgemäß werden also die zu entsorgenden Materia
lien gemeinsam mit dem Schüttgut in das druckfeste Gehäuse
eingegeben, in dem sich im dynamischen Gleichgewicht ein
Wanderbett ausbildet. Dieses behält zwar seine äußerlich
erkennbare Gestalt im wesentlichen kontinuierlich bei;
die nähere Betrachtung zeigt dabei jedoch, daß die Mate
rialien, aus denen sich das Wanderbett bildet, kontinuier
lich in Bewegung sind. Auf diese Weise lassen sich die
zu entsorgenden Materialien zunächst in eine gewisse Tiefe
des Wanderbettes hinein bewegen, wo sie dann zur Reaktion
gebracht werden. Das umgebende Wanderbett nimmt dabei
frei werdende Energie sowohl in mechanischer als auch in
thermischer Form auf. Das Wanderbett bietet - wo dies
gewünscht wird - große Oberflächen, an denen eine Reaktion
ablaufen kann. Schließlich stellt das Wanderbett auch
einen Wärmespeicher dar, der überall dort, wo die zu
entsorgenden Materialien auf eine Reaktionstemperatur
gebracht werden müssen, für Energieeinsparungen sorgen
kann. Schüttgut und zu entsorgende Materialien können dem
Wanderbett in vermischtem Zustand zugeführt werden oder
getrennt auf das Wanderbett "aufgestreut" werden, so daß
sich die Mischung erst innerhalb des Wanderbettes bildet.
Wenn als Schüttgut Kugeln verwendet werden, so ist die
erforderliche innere Beweglichkeit des Wanderbettes
besonders gut gewährleistet. Abweichungen von der Kugelform
sind jedoch möglich, sofern nur die Eigenreibung des
Schüttgutes nicht so groß wird, daß die innere Beweglich
keit des Wanderbettes gefährdet ist.
Vorzugsweise werden Kugeln aus Stahl oder Keramik verwendet.
Beide Materialien haben die erforderliche Festigkeit
zur Aufnahme mechanischer oder thermischer Energie und
sind im allgemeinen gegen die zu entsorgenden Materialien
resistent.
In sehr vielen Fällen wird die Entsorgungsreaktion erst
bei einer bestimmten Temperatur eingeleitet. Im günstig
sten Fall läßt sich ohne Zuhilfenahme externer Energie
ausschließlich mit Hilfe der Reaktionswärme in dem Wander
bett ein Temperaturprofil einstellen, bei dem die Reak
tionstemperatur in einem gewissen Abstand von der Ober
fläche im Inneren des Wanderbettes erreicht wird.
Sind jedoch die zu entsorgenden Materialien nicht aus
reichend energiehaltig, um die Reaktionstemperatur zu
erreichen, muß externe Wärme zugeführt werden. Dies
kann im einfachsten Fall durch Zufuhr von Brennstoffen
oder sonstigen Entzündungshilfen erfolgen. Alternativ
kann diese zum Erreichen der Reaktionstemperatur erfor
derliche Wärmezufuhr auch über einen Lichtbogen oder
induktiv geschehen. Im letzteren Falle muß das Wander
bett elektrisch leitfähige Materialien enthalten, z. B.
Stahlkugeln als Schüttgut.
Besonders vorteilhaft ist diejenige Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher das Schüttgut
aus der aus dem Wanderbett austretenden Materialmischung
abgeschieden und zumindest teilweise wieder dem Eingang
des Wanderbettes zugeführt wird. So läßt sich der Ver
brauch des Schüttgutes gering halten.
Dem Wanderbett können zur Durchführung des Verfahrens
notwendige oder dieses fördernde Hilfsstoffe zugeführt
werden. Dabei ist insbesondere an Brennstoffe gedacht,
welche die Temperatur des Wanderbettes erhöhen, an Luft,
welche insbesondere der Zufuhr von Sauerstoff dient,
an Temperiergas, mit dem insbesondere im Bereich der
freien Oberfläche des Wanderbettes eine Vortemperierung
erfolgen kann, an Chemikalien, mit denen die zu ent
sorgenden Materialien umgesetzt werden sollen, sowie
an Chemisorbentien, welche bestimmte Reaktionsprodukte
an sich binden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten,
daß sie kontinuierlich betrieben und die Entsorgungsreak
tion gut kontrolliert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
in dem Gehäuse ein sich von oben nach unten bewegendes
Wanderbett im dynamischen Gleichgewicht zwischen der
Zufuhr eines Schüttgutes und den zu entsorgenden Materialien
einerseits und dem Austrag einer Mischung aus Schütt
gut und der Reaktion entstammenden Reststoffen anderer
seits ausgebildet ist,
wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dafür
sorgt, daß die Reaktion erst in einem gewissen Abstand
von der Oberfläche im Inneren des Wanderbettes eintritt.
Die Vorteile, die mit einer derartigen Vorrichtung gegen
über solchen nach dem Stande der Technik erzielbar sind,
entsprechen sinngemäß den oben erläuterten Vorteilen
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleiches gilt für
die Vorteile der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, die in den Ansprüchen 11 bis 17 dargelegt
sind.
Besonders erwähnenswert an dieser Stelle ist die Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch
18, bei welcher die Wand des Gehäuses von außen nach
innen folgende Schichten umfaßt:
- a) einen Druckmantel;
- b) eine schallabsorbierende Schicht;
- c) eine elastische Schicht;
- d) eine von der elastischen Schicht abgestützte verform
bare Schale aus verschleißfestem Material.
Dieser Wandaufbau hat sich zur Bewältigung der komplexen
Aufgaben, welche die Wand insbesondere im Blick auf die
Aufnahme thermischer und mechanischer Energie sowie die
Schalldämmung von Geräuschen bewältigen muß, besonders
bewährt.
Die schalldämmende Schicht kann dabei aus Sand oder
Holz, die elastische Schicht aus einem Elastomer oder
einem komprimierten Fluid bestehen.
Günstig ist, wenn Temperierkanäle durch die elastische
Schicht hindurchgeführt sind. Durch ein geeignetes, diese
Temperierkanäle durchströmendes Medium läßt sich nicht
nur Reaktionswärme abführen sondern generell durch Kühlung
oder Erwärmung ein bestimmtes Temperaturprofil im Wander
bett in Durchströmungsrichtung einstellen. Bei heißem Be
trieb kann die innere Schale zusätzlich gekühlt werden,
sodaß die höhere Zähigkeit und Festigkeit des Materials
bei niedrigeren Temperaturen genutzt werden kann.
Die verschleißfeste (innere) Schale der Wand ist vorzugs
weise mit Einrichtungen versehen, welche eine elastische
Durchmesserveränderung der Schale ermöglichen. Die ver
schleißfeste Schale kann dann zur Absorption von Druck
stössen "atmen" und auf diese Weise die mechanische
Energie gut an die elastische Schicht abgeben, von der
sie abgestützt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
Fig. 1: einen vertikalen Schnitt durch einen Schacht
ofen zur Entsorgung von Munition oder Spreng
stoffen;
Fig. 2: einen horizontalen Schnitt durch einen Bereich
der Wandstruktur des Schachtofens von Fig. 1.
Der in Fig. 1 im Vertikalschnitt dargestellte und insge
samt mit dem Bezugszeichen 1 versehene Schachtofen dient
der Entsorgung von Munition oder anderen Sprengstoffen,
läßt sich aber in ähnlicher Ausführung zur Entsorgung
allgemein gefährlicher oder hochenergetischer Materialien
einsetzen. Er umfaßt ein Gehäuse 2 mit einem oberen,
im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 3 und einem
unteren, sich nach unten konisch verjüngenden Austrag
abschnitt 4. Der Austragabschnitt 4 besitzt eine Auslaß
öffnung 5, über welche der Innenraum des Austragabschnittes
4 mit dem Innenraum eines Austrag-Sammelgehäuses 6 kommuni
ziert. In der Nähe des Bodens des Austrag-Sammelgehäuses
6 befindet sich eine Austragöffnung 7; in etwas größerem
Abstand vom Boden des Austrag-Sammelgehäuses 6 ist eine
Gaseinlaß- und Auslaßöffnung 8 vorgesehen. Diese ist
in Fig. 1 durch einen Flansch 9 verschlossen.
Auf den zylindrischen Abschnitt 3 des Gehäuses 2 ist
ein deckelartiges Gehäuseoberteil 10 aufgesetzt, in
dem sich verschiedene Einlaßöffnungen 11, 12, 13, 14
und 15 befinden.
Über die Einlaßöffnung 12 wird dem Innenraum des Gehäuses
2 in noch näher zu beschreibender Weise eine Schüttung
von Stahlkugeln zugeführt, welche im betriebsbereiten
Zustand des Schachtofens 1 in der in Fig. 1 dargestell
ten Weise einen Teil des Austrag-Sammelgehäuses 6, den
gesamten konischen Austragabschnitt 4 und den gesamten
zylindrischen Abschnitt 3 des Gehäuses 2 ausfüllt. Die
Stahlkugeln sind dabei so dimensioniert, daß sie innerhalb
des Gehäuses 2 eine "fließfähige" Schüttung 16 nach Art
eines Wanderbettes bilden.
In einem gewissen Abstand unterhalb der der Einlaßöffnung
12 benachbarten Oberfläche des Wanderbettes 16 ist eine
Zündvorrichtung 18, beispielsweise in Gestalt zweier einen
Lichtbogen erzeugender Elektroden, vorgesehen.
Über die Einlaßöffnung 14 im Gehäuseoberteil 10 wird
die zu entsorgende Munition zugeführt. Diese vermischt
sich dabei mit den über die Einlaßöffnung 12 eingeleiteten
Stahlkugeln und bewegt sich gemeinsam mit diesen, in das
Wanderbett 16 integriert, innerhalb des Schachtofens 1
nach unten, wie weiter unten noch deutlicher wird.
Über die im Durchmesser kleiner dargestellten Einlaß
öffnungen 11, 13 und 15 im Gehäuseoberteil 10 können
nach Bedarf Hilfsstoffe ins Innere des Gehäuses 2 einge
führt werden, so etwa Wasser, Brennstoffe, Luft, Heißgas,
Kühlungsgas und Chemikalien, insbesondere Chemisorbentien,
je nach Art der Materialen, die in dem Schachtofen 1
entsorgt werden sollen. Nicht benötigte Einlaßöffnungen 11,
13, 15, werden selbstverständlich im Betrieb des Schacht
ofens verschlossen.
Die Austragöffnung 7 des Austrag-Sammelgehäuses 6 ist
über eine Leitung 19 und eine Schüttgut-Abscheideeinrich
tung 20 sowie eine weitere Leitung 22 mit einer in der
Zeichnung nicht mehr dargestellten Austrageinrichtung
verbunden. Diese zieht über die Leitung 19 das sich im
Austrag-Sammelbehälter 6 befindliche Material ab, welches
eine Mischung aus den als Schüttgut (Wanderbettmaterial)
verwendeten Stahlkugeln und dem Schrott und sonstigen
Reststoffen ist, die bei der Reaktion des Entsorgungsgutes
entstehen. Dabei wird gleichzeitig der gesamte Innenraum
des Gehäuses 2 beispielsweise durch Absaugung über die
Leitung 8 unter Unterdruck gehalten, so daß keine Gase aus
dem Gehäuse 2 entweichen können.
In der Schüttgut-Abscheideeinrichtung 20 wird das Schüttgut
von den sonstigen Reststoffen, insbesondere dem Schrott
getrennt. Das Schüttgut wird über eine weitere Leitung
21 dem Einlaß 12 im Gehäuseoberteil 10 wieder zugeführt,
während der Schrott und die sonstigen aus der Reaktion
stammenden festen Reststoffe über die Leitung 22 der
endgültigen Entsorgung gefahrlos zugeführt werden können.
Der oben beschriebene Schachtofen 1 arbeitet wie folgt:
Durch die kontinuierliche Zufuhr von Stahlkugeln über
die Einlaßöffnung 12 im Gehäuseoberteil 10 und die im
gleichen Maße stattfindende Entnahme von Stahlkugeln
über die Austragöffnung 7 im Austrag-Sammelgehäuse 6
sowie durch die Rückführung der in der Schüttgut-Abschei
deeinrichtung 20 wiedergewonnenen Stahlkugeln über die
Leitung 21 wird ein kontinuierlicher Kreislauf der Stahl
kugeln aufrechterhalten. Über die Leitung 35 wird von
außen nur jeweils der Ergänzungsbedarf frischer Stahlkugeln
eingebracht. Im Inneren des Reaktors bildet sich das
in Fig. 1 dargestellte Wanderbett 16 aus, welches
im dynamischen Gleichgewicht von Zufluß 17 und Abfluß
etwa die dargestellte Form behält. Die zu entsorgenden
Güter, im Beispiel die Munition, wird in einer entsprechend
abgestimmten Menge über die Einlaßöffnung 14 im Gehäuse
oberteil 10 zugeführt und dabei unter die Stahlkugeln
gemischt. In der Nähe der Einlaßöffnungen 12 und 14 17
besitzt das Wanderbett 16 eine Temperatur, die unterhalb
der Zündtemperatur der Munition liegt. Je tiefer jedoch
die Munition mit den Stahlkugeln im Wanderbett 16 nach
unten absinkt, um so höher wird die Temperatur, der sie
ausgesetzt ist. Kommt die Munition in die Nähe der Zünd
vorrichtung 18, so hat sie bereits eine Temperatur, die
nicht mehr weit von der Zündtemperatur entfernt ist. Es
genügt nunmehr eine verhältnismäßig kleine weitere Tempe
raturerhöhung durch die Zündvorrichtung 18, um die gesteu
erte Explosion auszulösen. Die dabei freigesetzte thermi
sche und mechanische Energie wird von den die Munition
umgebenden Stahlkugeln aufgenommen und zum Teil an die
Wände 3 des Gehäuses 2 weitergegeben, die hierzu in einer
bestimmten, weiter unter näher erläuterten Weise ausgebildet
sind. Die mit der Explosion verbundenen und ggf.
nachfolgenden Reaktionen sind abgeschlossen, wenn die das
Wanderbett 16 bildenden Materialien in den unteren Aus
tragabschnitt 4 des Gehäuses 2 eintreten. Hier enthält
das Wanderbett 16 also im wesentlichen Stahlkugeln,
Metallschrott, der bei der Explosion aus den metallischen
Munitionsteilen entstanden ist, ungefährliche Chemikalien
als Reaktionsprodukte und ggf. Gase. Diese Mischung wird
über das Austrag-Sammelgehäuse 6 in der oben schon geschil
derten Weise ausgetragen, wobei eventuell vorhandende
Gase über die Gaseinlaß-/Auslaßöffnung 8 abgezogen werden.
Das Wanderbett 16 wirkt bei den oben geschilderten Vor
gängen nicht nur druckstoßdämpfend; vielmehr dienen die
über die Schüttgut-Abscheideeinrichtung 20 und die Leitung
21 rezirkulierten Stahlkugeln gleichzeitig als regenera
tiver Wärmetauscher bzw. Wärmespeicher. Dieser vermindert
den Energiebedarf, der zur Erwärmung der Munition bis
nahe an die Zündtemperatur erforderlich ist.
Die Schüttgut-Abscheideeinrichtung 20 kann unterschiedliche
Bauweisen besitzen: Im oben geschilderten Fall, in dem
das Schüttgut aus Stahlkugeln besteht und der in der
Explosion entstandene Schrott im wesentlichen aus Eisen,
kann sie magnetisch arbeiten.
Statt der Kugeln aus Stahl können als Schüttgut auch
Kugeln aus anderem Material, insbesondere keramische
Kugeln, eingesetzt werden. Auch eine exakte Kugelform
ist nicht erforderlich; es reicht jede Form aus, die
zu dem gewünschten "fließfähigen" Wanderbett 16 führt.
Wird als Material für das Schüttgut ein Metall verwendet,
kann statt der mit einem Lichtbogen arbeitenden Zündvor
richtung 18 auch eine Induktionsspule eingesetzt werden.
Diese ruft in dem Schüttgut wärmeerzeugende Wirbelströme
hervor, die dann für die zur Reaktionseinleitung erfor
derliche Temperatur sorgen. Bei energiereichen Materialien
kann unter Umständen auf eine gesonderte Zündvorrichtung
vollständig verzichtet werden, da die zur Reaktionsein
leitung erforderliche Temperatur ohne äußere Energiezu
fuhr aus der Reaktionswärme im Wanderbett 16 erreicht
wird.
Wie schon oben erwähnt wurde, muß die Wandung 3 des
Gehäuses 2 erhebliche thermische und mechanische Belas
tungen aushalten; darüber hinaus können die im Wander
bett 16 stattfindenden Reaktionen mit einer erheblichen
Geräuschentwicklung verbunden sein, so daß eine schall
dämmende Eigenschaft der Wand 3 erwünscht ist. Hierzu
besitzt die Wand 3 den in Fig. 2 schematisch dargestell
ten Aufbau:
Radial innerhalb eines äußeren, herkömmlichen Druckmantels
25 aus Metall befindet sich eine schallabsorbierende
Zwischenschicht 26, die z. B. aus Sand oder Holz bestehen
kann. Die schallabsorbierende Zwischenschicht 26 ist
über eine metallische Schale 27 von einer weiteren Zwi
schenschicht 28 getrennt, die aus einem elastischen
Medium, im dargestellten Beispiel aus Gummi, besteht.
Die elastische Zwischenschicht 28 wird durch eine Viel
zahl achsparalleler Temperierbohrungen 29 durchzogen.
Durch diese Temperierbohrungen 29 wird je nach Bedarf
ein Temperiermittel (Kühlmittel oder Heizmittel) geleitet,
welches zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur
in einem bestimmten Abschnitt des Gehäuses 2 erforderlich
ist.
Die radial am weitesten innenliegende Schicht der Wand
3 ist eine verschleißfeste Schale 30, welche aufgrund
ihrer Eigenelastizität verformbar ist und aufgrund von
achsparallelen Sicken 31 in dem Sinne "atmen" kann,
als sie unter dem Einfluß von inneren Druckstößen ihren
Durchmesser verändern kann. Die verschleißfeste Schale
30 stützt sich dabei an der elastischen Zwischenschicht
28 ab, welche letztendlich die Deformationsenergie auf
nimmt.