Jan Fiedler

Grundlagen für die Entwicklung eines Verfahrens zur plasmachemischen Vernichtung humanmedizinischer Abfallstoffe

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigt durch Zentrum für Ingenieurwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 05.04,2007

Abstract
Humanmedizinische Abfallstoffe stellen hinsichtlich ihrer infektiösen Eigenschaften besondere Anforderungen an ihre Sammlung und Entsorgung. Sie werden aus infektionspräventiver Sicht der Kategorie der "besonders überwachungsbedürftigen Abfälle" (büA) zugeordnet. Die Entsorgung dieses Abfallstoffes bedarf ein gesonderten Vorgehens und setzt sich derzeitig zusammen aus der Ansammlung der Abfälle, dem Abtransport dieser durch Drittunternehmen (Entsorgungsfachbetriebe) zu zentralen Sonderabfallverbrennungs-anlagen und der eigentlichen Verbrennung. Im Unterschied zu einer dezentralen Entsorgung fallen somit zusätzliche Kosten für die Handhabung, Sammlung, Konditionierung und den Transport der Abfälle zur Verbrennungsanlage an.
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Erarbeitung von Grundlagen für die Entwicklung eines Verfahrens zur plasmachemischen Vernichtung von humanmedizinischen Abfallstoffen in dezentralen bzw. mobilen Anlagen.
Zur Umsetzung dieser Zielstellung wurde eine Modellsubstanz entwickelt, welche dem realen Abfallstoff in den brennstofftechnisch relevanten Eigenschaften wie z.B. Wassergehalt, Aschegehalt, chemische Zusammensetzung, Heizwert und Konsistenz entsprach.
Im Rahmen der brennstofftechnischen Bewertung wurde die Modellsubstanz thermischen Sta-bilitätsanalysen unterzogen. Ihre Zersetzungsprodukte wurden bilanziert und die Zerset-zungskinetik analysiert sowie ein Partikelabbrandmodell aufgestellt.
Im Weiteren erfolgten der Entwurf und die Auslegung einer plasmachemischen Kleinverbren-nungsanlage. Zum Zwecke der Analyse und Optimierung des entwickelten wurde ein optisches Reaktorsegment konstruiert und in Verbindung mit einem Hochgeschwindigkeitskamerasystem eingesetzt, um die Geschwindigkeiten der Feststoffpartikel zu vermessen und zu analysieren.
Zur Verbesserung des Verständnisses der internen Strömungsabläufe wurde eine dreidimensionale, fluiddynamische Rektormodellierung der kontinuierlichen Phase durchgeführt, welche eine günstige Prozess- und Anlagengestaltung ermöglichte.
Im Zuge der Optimierungsarbeiten war es möglich einen deponierbaren Verbrennungs-rückstand (GV≤5%) mit einem spezifischen energetischen Aufwand von 2 kWh/kg zu erzeugen.
Die ökonomische Bewertung des entwickelten Verfahrens bildet den Abschluss dieser Arbeit.

Human medical wastes belong to the category of hazardous wastes. Their infectious character requires a high safety level during collection, transport and disposal. At present the common disposal practise is to collect the waste at the point of emerges (hospitals) and the transport to local hazardous waste incineration plants. In most of the cases this is carried out by external service companies specialised in hazardous waste disposal. Thus, additional costs for handling, transport and conditioning of the waste occur. An on-site operating incineration system would safe these additional expenses since a third party donít need to be involved in the disposal process.
Therefore, the objective of this work was to development a compact plasma chemical waste treatment plant for the on-site incineration of infectious human medical waste.
In order to meet the objective a waste agent was developed. The agent consists of a mixture of meat and bone meal, wood chips and water. By varying the individual fractions of the composition, it was possible to mimic the chemical and physical behaviour of the real medical waste (elemental composition, ash and water content, heat of combustion, viscosity, etc.).
By means of a solid fuel characterisation study the thermal stability of the agent was investigated. A mass balance of the decomposition products was constructed and the decomposition kinetic was analysed. As a result of the decomposition study a particle combustion model was developed, were the kinetic and physical data obtained fed into.
A mobile demonstrator plant for the plasma chemical incineration of human medical waste was designed, assembled and commissioned. A comprehensive set of test runs and sensitivity studies has been conducted in order to specify the stabile operation range.
For the optimisation purpose, an optical segment of the tube reactor has been developed in order to analyse the disperse particles phase (residence time distribution) using a high speed camera system.
A 3-dimensional CFD modelling of the thermal plasma reactor has been carried out and validated in order to improve the understanding of internal flow profile and to asses the mixing behaviour of the reactants.
By means of the insights gained as a result of the characterisation work, it was possible to meet the requirements of the German regulation on the disposal of thermal treated waste of ≤5% weight loss on ignition. The specific energy input to achieve that level was approx. 2 kWh/kg.
An economic analysis of the developed incineration process finalises the thesis.

Keywords:
Plasma, Müll, Müllverbrennung, Hochtemperatur, infektiös, medizinische Abfalle, Modellierung, CFD, Partikel, thermische Stabilität

plasma, waste, waste incineration, high temperature, infectious, medical waste, modelling, cfd, particle, thermal stability

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Inhaltsverzeichnis, Symbolverzeichnis (2, I-VIII)
1. Einleitung (1-10)
2. Einführung in die Plasmatechnik (11-16)
3. Verfahrenskonzeption (17-55)
4. CFD-Modellierung der Reaktorgasphase (56-80)
5. Experimentelle Untersuchungen (81-92)
6. Wirtschaftliche Betrachtung des Verfahrens (93-99)
7. Zusammenfassung (100-101)
Literaturverzeichnis (102-108)
Anhang (109-113)