Die Erfindung betrifft das Schmelzen fester Materialien zur Erzeugung eines verglasten und/oder kristallinen Materials durch Einleiten einer Schmelze, indem ein elektrischer Strom durch einen planaren, zwischen mehreren Elektroden befindlichen Anfangsweg und von dort durch die umgebenden festen Materialien geleitet wird. Die festen Materialien können unberührte oder ausgehobene Erde sein, Abfallmaterialien, die an einem Ort zur Entsorgung zusammengetragen wurden, oder irgendwelche anderen festen Materialien, die geschmolzen werden können und die Joulesche Erwärmung während der Bearbeitung unterstützen.

Die Verglasung oder das Schmelzen von Erde und anderen festen Materialien in situ ist wohlbekannt, wie aus den zahlreichen Patenten hervorgeht, die unter anderem an das Battelle Memorial Institute vergeben wurden. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 376 598, ausgestellt am 15. März 1983, ein Verfahren zur Verfestigung von Erde und anderen, in der Erde enthaltenen festen Materialien durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch geschmolzene Materialien zwischen Elektroden. Es wird ein anfänglicher, elektrisch leitender Widerstandsweg zwischen den Elektroden bereitgestellt, und das Anlegen des Stroms an die Elektroden wird solange fortgesetzt, bis die festen Materialien zwischen den Elektroden geschmolzen sind.

Der elektrisch leitende Widerstandsweg (der "Anfangsweg") ist notwendig, um elektrische Leitung zwischen den Elektroden zu erhalten, die ausreicht, zunächst hinreichend Wärme zu erzeugen, um die Erde und andere feste Materialien unmittelbar neben dem Anfangsweg aufzuschmelzen und dann den Stromfluß auf diese geschmolzenen Materialien zu übertragen. Durch das Aufschmelzen wird die geschmolzene Erde oder andere Materialien deutlich elektrisch leitfähiger als im ungeschmolzenen Zustand. Die Elektrizität kann dann durch die geschmolzenen Medien fließen, wobei sie durch das Phänomen der Jouleschen Erwärmung in Wärme umgewandelt wird, die dann in die benachbarten festen Materialien geleitet wird und diese aufschmilzt. Dieses Aufschmelzen wurde bislang an oder in der Nähe der Oberfläche der festen Materialien in einem horizontalen linearen Weg eingeleitet, wobei der Schmelzbereich bei weiter angelegtem elektrischen Strom nach außen und nach unten wächst.

Eine Reihe verschiedener Verfahren zur Erstellung des elektrisch leitenden Widerstandswegs wurden vorgeschlagen, etwa Wege mit Graphit oder Natriumhydroxid, Opferwiderstandselemente (Metall-Widerstandsspule oder -draht) und chemische Reagenzien zur Herbeiführung einer stark exothermen chemischen Reaktion. In US-Patent Nr. 5 004 373 wird zur Einleitung der in situ-Verglasung eine Schnur aus dielektrischem Material (wie etwa Glasfaser) mit einem leitenden Material (etwa Graphit) imprägniert.

Wie in US-Patent Nr. 4 376 598 dargestellt, war der Anfangsweg eine relativ kleine "Schicht" (2,5 cm tief und 2,5 cm breit) aus Graphit-Flocken in einem Graben zwischen den Elektroden. Diese Graphit-Schicht war lediglich dazu vorgesehen, "einen leitfähigen Widerstandsweg [zwischen den Elektroden] bereitzustellen, um die Temperatur der Erde um den leitfähigen Widerstandsweg herum auf ihre Schmelztemperatur anzuheben". Zwar wurde in Betracht gezogen, daß die Verglasung von Materialien so verlaufen würde wie im Patent '598 beschrieben, doch tatsächlich wurde gefunden, daß die Bildung der Schmelzzone der in US-Patent Nr. 4 956 535 beschriebenen näherkommt. Anfangswege mit Graphit als Primärkomponente (im allgemeinen in Form von Flocken) stellen nunmehr die bevorzugte Methode zur Einleitung des Schmelzvorgangs dar.

Man weiß jetzt, daß bei einem horizontalen, linearen Anfangsweg, der nahe der Oberfläche des Bodens wie im Stand der Technik gesetzt wird, die Schmelzzone so verläuft wie hierin in 1 ("Stand der Technik") und in 10 und 12 des Patents '535 dargestellt. Wie in 1 dargestellt, beginnt die Schmelzzone 10 mit einem horizontalen linearen Anfangsweg 26 und nimmt mit der Ausdehnung in alle Dimensionen "X" (seitlich in der Ebene zwischen den Elektroden), "Y" (nach unten) und "Z" (seitlich senkrecht zur Ebene zwischen den Elektroden) die Form eines Ballons an. Das Ergebnis ist eine geschmolzene zylindrische Masse mit halbkugelförmigen Enden. Der hierin dargestellte Schmelzsumpf 10 zeigt das "Wachstum" des geschmolzenen Bereichs mit wachsendem Schmelzsumpf. Wie in 1 (und in den nachfolgenden Zeichnungen) dargestellt, schmilzt der Schmelzsumpf daher nach und nach vom Beginn bei A und wächst dann nach unten und nach außen hin zu B, C, D und E. Die vorhergehenden Schmelzsümpfe (A-D) sind lediglich zum Zweck der Veranschaulichung als diskrete Einheiten gezeigt – tatsächlich nimmt der Schmelzsumpf mit der Zeit an Größe zu, bis er einen einzigen großen geschmolzenen Bereich ergibt. Aus der Volumenabnahme und der Absenkung erklärt sich die Lage des letzten Schmelzsumpfs und der verfestigten Masse, die ein wesentlich kleineres Volumen einnehmen als vorher durch die ungeschmolzenen festen Materialien eingenommen wurde (Volumen A + B + C + D + E). Wie im Patent '535 dargestellt, waren zusätzliche Elektroden notwendig, um der verglasten Masse Herr zu werden. Durch Erfahrung wurde gefunden daß die Wärmeleitung vom geschmolzenen Volumen in benachbarte ungeschmolzene Materialien in direkter Beziehung zur Oberfläche des geschmolzenen Volumens steht.

Theoretisch setzt sich eine Schmelze in vollkommen trockener, gleichförmiger Erde gleichmäßig in alle Richtungen X, Y und Z fort. Da sich die Schmelze in beide Richtungen (von einer zwischen den Elektroden gezogenen Linie) in der "Z"-Dimension fortsetzt, ist das seitliche Wachstum theoretisch das Zweifache des Wachstums nach unten, und daraus ergibt sich ein theoretisches Seitenverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite: Y/Z) von 0,5. Da die meisten aufzuschmelzenden Materialien Flüssigkeiten oder andere verdampfbare Stoffe (wie etwa Wasser im Boden) enthalten, die durch den nach unten vordringenden Schmelzsumpf verdampft werden, nimmt man jedoch an, daß die relativ "kühlen" Dämpfe sich an den Seiten des Schmelzsumpfs aufwärts bewegen, die Seiten kühlen und die Geschwindigkeit des seitlichen Wachstums (Z) verlangsamen. Daher nimmt die Geschwindigkeit des Abwärtswachstums eines Schmelzsumpfs im Stande der Technik nominell schneller zu als die seitliche Wachstumsgeschwindigkeit, so daß sich ein tatsächliches Seitenverhältnis von bis zu 1,5 ergibt. Mit zunehmender Größe des Schmelzsumpfs führen jedoch andere Faktoren im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung dazu, daß die Geschwindigkeit des Schmelzens nach unten ("Y") gegenüber dem Schmelzen nach außen ("Z") abnimmt (in 1 dargestellt anhand der aufeinanderfolgenden Schmelzen A, B, C, D und E), und schließlich wird es unwirtschaftlich, das Schmelzen mit herkömmlichem Gerät mit der Absicht fortzusetzen, die Schmelze nach unten auszudehnen, da die Geschwindigkeit des (unerwünschten) Wachstums in der "Z"-Dimension die Geschwindigkeit des Wachstums in der gewünschten "Y"-Dimension bei weitem übersteigt. Somit ist die herkömmliche Technologie auf das Arbeiten mit Seitenverhältnissen der Schmelze im Bereich von etwa 1,0 bis 1,5 beschränkt.

Bei Anwendungen in großem Maßstab unter Einsatz von bis zu vier Megawatt Leistung und Anwendung der Einleitungsprozedur des Standes der Technik mit linearem Anfangsweg hat die Anmelderin beobachtet, daß, nachdem eine 4-Elektroden-Schmelze etwa 20' (6,1 m) Tiefe bei einer Breite von etwa 40-45' (12-13,7 m) erreicht hat, das Abwärtswachstum der Schmelze sich so weit verlangsamt, daß eine Fortführung unwirtschaftlich ist (ungenügend Leistung zum Schmelzen einer weitaus größeren Masse verfügbar), und derartige Schmelzen werden typischerweise zu diesem Zeitpunkt oder früher beendet. Bei Verwendung von handelsüblichem Großgerät besteht daher eine inhärente Grenze, bis zu welcher Tiefe eine in situ-Verglasung ausgedehnt werden kann. Natürlich kann auch leistungsfähigeres Gerät eingesetzt werden, um noch größere, tiefere Schmelzen zu erzeugen, doch gäbe es auch bei solchem Gerät eine eigene wirtschaftliche Grenze bei der Tiefe.

Die Anmelderin hat gefunden, daß bei Anwendung der beispielsweise im Patent '598 offenbarten Verfahren die gegenwärtige praktische Grenze der Schmelztiefe ("Y") bei Verwendung von in situ-Verglasungsgerät in kommerziellem Maßstab (4 MW) etwa 20 Fuß (6,1 m) beträgt. Mit einem Anfangsweg wie im Patent '598 offenbart beträgt bei dieser Tiefe die Schmelzbreite ("Z") etwa 20-22 Fuß (6,10-6,7 m) pro Elektrodenpaar oder etwa 45 Fuß (13,7 m) bei 4 Elektroden. Sofern der zu verglasende Bereich nicht bei oder oberhalb etwa 20 Fuß (6,1 m) unter der Oberfläche liegt, ist es daher nicht wirtschaftlich, mit dem Schmelzen seitlich fortzufahren, um die Tiefe der Schmelze minimal zu vergrößern. Es können zwar Wärmebarrieren eingesetzt werden, um die seitliche Ausdehnung der Schmelze ("Z") zu begrenzen, doch sind solche Barrieren schwierig zu bauen, arbeiten möglicherweise nicht ordnungsgemäß und sind teuer.

Wie bereits oben festgestellt, beginnen herkömmliche Schmelzen mit horizontalem Anfangsweg sehr breit und flach und ergeben so ein sehr niedriges Seitenverhältnis (Tiefe/Breite), das sich mit dem Anwachsen der Schmelze in die Tiefe erhöht. Die Anmelderin hat beobachtet, daß das Seitenverhältnis von herkömmlichen Schmelzen bei Tiefen von kommerziellem Interesse kaum jemals größer ist als etwa 1,0 oder höchstens 1,3. Mit herkömmlichem Gerät ergibt die größte durchführbare Schmelze mit dem dichtesten Elektrodenabstand von 10 Fuß (3 m) mit horizontalem Anfangsweg dazwischen eine Schmelze von etwa 20' (6,1 m) Breite und 20' (6,1 m) Tiefe pro Elektrodenpaar.

In vielen Fälle kann eine geformte Schmelzzone (mit einem Seitenverhältnis von > 1,5) wünschenswert sein. Das ISV-Verfahren des Patents '535 ergibt eine Schmelze, die nach Belieben "wächst", während mit der vorliegenden Erfindung eine Schmelze maßgeschneidert werden kann, um entweder an die örtlichen Gegebenheiten angepaßt zu werden und/oder die Kosten zu verringern. Einer der größten Vorteile, daß man in der Lage ist, das Seitenverhältnis der Schmelze zu steuern, ist die Minimierung des Überschmelzens in der Breite.

Wollte man beispielsweise ein Volumen von 20 Fuß (6,1 m) Tiefe und 10 Fuß (3 m) Breite mit herkömmlicher Technologie aufschmelzen, so müßte man 20' (6,1 m) breit aufschmelzen, um eine Tiefe von 20' (6,1 m) zu erreichen. Bei einer solchen Bearbeitung wird die zweifache Menge des beabsichtigten Materials geschmolzen, so daß sich Zeit und Kosten verdoppeln. Bei solchen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Schmelze mit einem Seitenverhältnis von 2,0 (zweimal so tief als breit) durchzuführen. Die Fähigkeit zur Steuerung des Seitenverhältnisses kann immense Auswirkung auf die Kosten einer Schmelze und damit ihre kommerzielle Realisierbarkeit haben.

Wie in 2 dargestellt, sind viele Sondermülldeponien in Form von Gräben 12 angeordnet, wobei der Sondermüll in einem "U"- oder "V"förmigen Graben mit Erde begraben wird. Die Seitenwände des Grabens können mit Stein 14 ausgekleidet sein. Die in situ-Verglasung ist in solchen Fällen möglicherweise nicht kosteneffektiv oder es kann zu Sicherheitsproblemen kommen, da die natürliche Bildung des ballonförmigen Schmelzsumpfes 16 (wie im Patent '535 dargestellt) genau die entgegengesetzte Form aufweist, als in solchen Fällen erwünscht wäre. Da die Schmelze zu den Seiten des Grabens hin abschließen kann, ist seitliche Bewegung von Gasen 18, die unter dem Schmelzsumpf 16 erzeugt werden, möglicherweise durch die Seiten des Grabens eingeschränkt, und diese Gase werden möglicherweise durch die Schmelzzone 16 nach oben 20 gedrückt und führen dort zu Störungen und Diskontinuitäten. Solche "Blasen" können zu erheblichen Problemen bei der Aufrechterhaltung einer effektiven Schmelze und zu Eruptionen an der Oberfläche führen und gefährden so die Unversehrtheit der Elektroden 22 und der Abgassammelvorrichtung 24, die die Schmelze bedeckt. Solche Eruptionen sind heftig genug, um Schmelzen und/oder Beschädigung der Abdeckkomponenten 24 und anderer Einrichtungen im Zusammenhang mit dem ISV-Verfahren herbeizuführen.

Allgemein wird die in situ-Verglasung heute mit Elektroden 28 durchgeführt, die mit fortschreitendem Schmelzvorgang kontinuierlich in den Schmelzsumpf geführt werden (gegebenenfalls durch eine Manschette 30; 3). So wie gegenwärtig praktiziert, werden beim Inbetriebsetzen zunächst weder die Elektroden noch die Manschetten bis auf die gewünschte Endtiefe eingeschoben. So wie der Schmelzsumpf nach unten wächst, werden die Elektroden nach unten nachgeführt. Dieser nächste Stand der Technik ist in US-A-5 114 277 beschrieben.

Daneben hat es zahlreiche Versuche gegeben, unterirdische 'Wände" aus verglastem Material zu schaffen, die als Barriere wirken. Derartige unterirdische Strukturen wurden bislang noch nicht wirtschaftlich oder präzise aufgebaut, da das Seitenverhältnis so klein ist (die Schmelzen sind zu breit), daß solche Strukturen unwirtschaftlich werden. Eine 20' (6,1 m) tiefe Wand, die durch zwei Elektroden unter Anwendung herkömmlicher Verfahren erzeugt wird, ergibt demnach eine 20' (6,1 m) breite (oder breitere) Schmelze – wobei wesentlich mehr Zeit und Energie für das Schmelzen als zur Erzeugung einer "Wand" erforderlich sind. Für Anwendungen mit Barrierewand sollte das Seitenverhältnis der Schmelze auf den Bereich von 4 bis 20 eingeregelt werden können, was bei Anwendung der Technologie im Stand der Technik unmöglich ist (maximal realisierbare Seitenverhältnisse im Bereich von 1,0 bis 1,5).

Es sind zahlreiche Erfindungen offenbart, die die Durchführung der in situ-Verglasung unterstützen sollen. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4 762 991 eine Sonde, die mehrere Sensoren überwacht, die entlang dem erwarteten Weg einer ISV-Schmelze gesetzt sind. Die Sonde empfängt Temperatursignale von den Sensoren und übermittelt diese an eine entfernte Stelle. Das US-Patent Nr. 5 024 556 offenbart ein System zur Förderung der Zerstörung flüchtiger und/oder gefährlicher Verunreinigungen bei der in situ-Verglasung durch Bildung einer Kaltverschlusses über der verglasten Masse.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren – sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens – zum Schmelzen fester Materialien, wobei ein Schmelzsumpf von genauerer Größe und Form und anschließend ein abgekühltes monolithisches Glas und/oder eine kristalline Masse erhalten werden kann. Eine solche Steuerung der Schmelze kann erforderlich werden aufgrund von physikalischen Einschränkungen bezüglich des Ortes, oder um einen relativ kleinen Abschnitt einer unterirdischen Stelle wirksam zu verglasen, oder um eine unterirdische "Wand" aufzubauen.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, umfaßt das herkömmliche Bearbeitungsgerät zur in situ-Verglasung mit wenigstens zwei Elektroden, die sich anfangs nach unten durch den Boden bis auf eine Tiefe erstrecken, die zur Erzeugung der gewünschten Schmelzzone ausreicht. Elektrisch leitende Widerstandsmaterialien sind zwischen wenigstens zwei der Elektroden über einen wesentlichen Teil ihrer linearen Ausdehnung eingesetzt, um einen Anfangsweg zu bilden, womit eine vertikal ausgerichtete Ebene aus Anfangswegmaterial zwischen den Elektroden definiert wird. Wird Elektrizität an die Elektroden angelegt, so werden die elektrisch leitenden Widerstandsmaterialien auf eine Temperatur erhitzt, die höher ist als der Schmelzpunkt der umgebenden Erde oder anderer fester Materialien. Nach dem Schmelzen leitet die geschmolzene Erde die Elektrizität leichter, und durch die fortgesetzte Widerstandserwärmung der Schmelze bildet die benachbarte Erde einen wachsenden "Schmelzsumpf" aus geschmolzenen Materialien.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann mit jedem Material durchgeführt werden, das durch Joulesche Erwärmung geschmolzen werden kann, und insbesondere mit verunreinigter unberührter Erde, mit Erde, die an einen Ort zur Behandlung bewegt wurde, mit einer Mischung aus "in situ"-Erde und festen Materialien (wie etwa Fässer oder andere Abfallprodukte), oder in irgendeiner anderen Form, wo feste Materialien geschmolzen werden sollen.

Das Seitenverhältnis des Schmelzsumpfs der vorliegenden Erfindung läßt sich mit verhältnismäßiger Genauigkeit steuern, so daß das Verhältnis der vertikalen Ausdehnung ("Y") zur Breitenausdehnung ("Z") des mit Hilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gebildeten Schmelzsumpfs in einem Bereich von etwa 1 bis 20 gesteuert werden kann, womit sich zeigt, daß der Schmelzsumpf ohne wesentliches unerwünschtes seitliches Wachstum des Schmelzsumpfs erzeugt und nach unten gesteuert werden kann.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung, wie im unabhängigen Anspruch 11 definiert, in Form wenigstens zweier vertikal ausgerichteter linearer Elektroden und eines planaren Anfangswegs, der über einen wesentlichen Teil der linearen Ausdehnung der Elektroden mit den Elektroden in Kontakt steht. Mit dieser Vorrichtung wird sichergestellt, daß der Schmelzsumpf tiefer beginnt, mit einem anfänglichen Seitenverhältnis von etwa 40-50, so daß die gewünschte Tiefe des Schmelzsumpfs nicht durch unerwünschtes und unwirtschaftliches seitliches Wachstum eingeschränkt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden klar anhand der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen, die die Erfindung annehmen kann.

1 ist eine schematische Darstellung eines Schmelzsumpfs, der mit Hilfe herkömmlicher in situ-Verglasung erzeugt wurde und mit der Beschriftung "Stand der Technik" versehen ist;

1A ist eine Darstellung der Dimensionen eines Schmelzsumpfs;

2 ist eine schematische Darstellung eines speziellen Typs einer Schmelzanwendung und ist mit der Beschriftung "Stand der Technik" versehen;

3 ist eine schematische Darstellung der Elektroden und des linearen Anfangswegs eines herkömmlichen in situ-Verglasungsverfahrens und ist mit der Beschriftung "Stand der Technik" versehen;

3A ist eine Schnittansicht des Anfangswegs von 3 längs der Linien 3A-3A von 3;

4 ist eine schematische Darstellung der Elektroden und des planaren Anfangswegs des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;

4A ist eine Schnittansicht des Anfangswegs von 4 längs der Linien 4A-4A von 4;

5a ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Schmelzsumpfanordnung im Stand der Technik, wobei benachbarte Linien das Wachstum des Schmelzsumpfs veranschaulichen;

5b ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Schmelzsumpfanordnung der vorliegenden Erfindung, ähnlich der von 5a;

6 ist eine schematische Darstellung eines Grundrisses einer Schmelzsumpfanordnung der vorliegenden Erfindung;

7 ist ein Grundriß eines 4-Elektrodensatzes, wobei die vorliegende Erfindung mit dem Stand der Technik verglichen wird;

8 ist eine schematische Darstellung einer Aufrißansicht der experimentellen Vorrichtung von Beispiel 1;

9 ist eine Darstellung eines Grundrisses des verfestigten Schmelzsumpfs, erzeugt mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung in Beispiel 2;

10 ist eine schematische Darstellung des Gebrauchs der vorliegenden Erfindung in der gleichen Umgebung wie in 2 dargestellt;

11a ist eine schematische Darstellung eines Aufrisses eines Mehrelektrodensatzes des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;

11b ist eine schematische Darstellung eines Grundrisses der Ausführungsform von 11a;

12 ist eine schematische Darstellung eines Grundrisses einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

13 ist eine schematische Darstellung eines Aufrisses einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

14a ist eine schematische Darstellung eines speziellen Typs einer Schmelze, die mit der Beschriftung "Stand der Technik" versehen ist;

14b ist eine schematische Darstellung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in der Umgebung von 14a; und

15 ist ein Graph, der einen Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik zeigt.

So wie hierin verwendet, gelten für die folgenden Begriffe die folgenden Definitionen:

IN SITU-VERGLASUNG (in situ vitrification, ISV): bedeutet Verglasung oder Schmelzen von Materialien, so wie sie zur Zeit der Behandlung vorliegen. Solche Materialien können bezüglich ihres Ablagerungs- oder Ursprungsorts unberührt sein, oder sie können ausgegraben (ausgehoben) und zur Behandlung an einen anderen Ort verbracht worden sein. Zwar denkt man bei dem Begriff "Verglasung" häufig an die Herstellung von Glasprodukten und nicht an die Herstellung eines verfestigten Glases oder einer kristallinen amorphen Masse, doch umfaßt der Gebrauch dieses Begriffs durch einen Fachmann auch Verfahren, bei denen Materialien geschmolzen, aber nicht zu Glas werden.

FESTES MATERIAL: bedeutet Erdmaterialien, die durch Joulesche Erwärmung geschmolzen werden können, darunter Erde sowie Erde, die mit flüssigen Schadstoffen oder anderen Abfällen verunreinigt ist, oder eine Mischung aus Erde und festen gefährlichen Abfällen, wie sie typischerweise bei Sondermülldeponien, Sedimenten, Bergbaurückständen angetroffen werden, sowie andere, überwiegend anorganische Materialien.

GEFÄHRLICHE ABFÄLLE: bedeutet Abfälle, die einer Behandlung bedürfen, jedoch getrennt, darunter solche Abfälle, die in der Industrie als gefährliche, radioaktive und gemischte Abfälle definiert werden.

ANFANGSWEG: bedeutet ein elektrisch leitendes Widerstandsmaterial, das zwischen wenigstens zwei Elektroden eingesetzt wird, um die Schmelze des festen Materials einzuleiten. Zwar sind in vielen Fällen herkömmliche Materialien wie etwa Graphit-Flocken oder mit Glasfritten gemischte Graphit-Flocken die bevorzugte Ausführungsform, doch sollte klar sein, daß jedes Material mit den gewünschten elektrischen Widerstandseigenschaften (wie in einigen Fällen auch Muttererde) verwendet werden kann.

Aus den vorstehenden Definitionen sollte klar sein, daß die Definition der in situ-Verglasung (ISV) nicht auf die Situation beschränkt ist, wo eine relativ unberührte Stelle beispielsweise mit einer gefährlichen chemischen Freisetzung verunreinigt ist. Zu dieser Definition zählen auch solche Stellen mit vergrabenen Abfällen, solche Stellen, an denen die verunreinigte Erde oder ein anderes festes Material ausgehoben und an eine nachgeordnete Stelle zur Behandlung verbracht worden ist, und dergleichen. Zur Vereinfachung der Beschreibung soll im folgenden immer dann, wenn der Begriff "Boden" verwendet wird, darunter zu verstehen sein, daß er jede Ausführungsform umfaßt, bei der ein festes Material einer in situ-Verglasung unterzogen wird.

Wie in 4 dargestellt, liegen bei der breitesten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wenigstens zwei lineare Elektroden 40 vor (entweder ummantelt oder nicht ummantelt), die in den Boden 42 und unter die Oberfläche desselben eingeschoben sind. Zwar wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit vertikal ausgerichteten Elektroden und Anfangswegen dargestellt, doch sei klar, daß auch andere Geometrien möglich sind (etwa Elektroden, die in spitzem Winkel zur Erdoberfläche in die Erde eingeschoben werden). Ebenso sei klar, daß die obere Ausdehnung des planaren Anfangswegs nicht auf Bodenhöhe sein muß – der Anfangsweg kann auch in einem vorbestimmten Abstand unter dem Boden beginnen und von dort aus nach unten verlaufen.

Eine Sicherheitsabdeckung 44 und eine Abgasbehandlungsvorrichtung 46 sind hierin schematisch gezeigt; diese sind dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt und bedürfen keiner weiteren Beschreibung. Im Gegensatz zu den Verfahren im Stand der Technik, wo die Elektroden minimal in den Boden eingeschoben und dann mit fortschreitender Schmelze in diese nachgeschoben werden (3), werden die Elektroden 40 der vorliegenden Erfindung ein erhebliches Stück weit in den Boden eingeschoben, normalerweise bis zur vollen Tiefe des planaren Anfangswegs. Zwischen die Elektroden werden elektrisch leitende Widerstandsmaterialien 48 (der Anfangsweg) eingesetzt. An Ort und Stelle nimmt der Anfangsweg eine Planare Form an und quert einen wesentlichen Teil der linearen Ausdehnung ("Y") der Elektroden. So wie hierin verwendet muß "planar" nicht flach sein, d.h., der planare Anfangsweg kann mit einer Krümmung oder einer anderen unregelmäßigen Form zwischen den Elektroden versehen sein. Die größere Gesamtfläche des Anfangswegs erlaubt den Durchgang von wesentlich mehr während des Betriebs zuzuführender elektrischer Leistung als bei linearen Anfangswegen, wie aus dem Vergleich der 3 und 4 hervorgeht. Die lineare (vertikale) Ausdehnung 50 ("Y" von 1a) des Anfangswegs 48 bestimmt die Abmessungen des endgültigen Schmelzsumpfs.

Im Gegensatz zum Schmelzsumpf von 1 des Standes der Technik ist der Schmelzsumpf der vorliegenden Erfindung in 5. schematisch dargestellt. (Man beachte, daß die Ausrichtung der Elektroden von 5 90 Grad von der von 1 ist, d.h., 1 ist eine Ansicht längs der "Z"-Achse, während 5 eine Ansicht längs der "X"-Achse ist.) Während ein Schmelzsumpf im Stand der Technik im allgemeinen ein Seitenverhältnis (das Verhältnis von Tiefe zu Breite) von weniger als 1,0 aufweist, hat ein Schmelzsumpf der vorliegenden Erfindung normalerweise ein Seitenverhältnis im Bereich von 1,0 bis 20. Mit einer Ausdehnung des Anfangswegs von "Y" in 5 wird die Tiefenausdehnung stets größer als "Y" sein (es gibt etwas Wachstum von den Elektroden nach unten), während die Breitenausdehnung "Z" 52 so gesteuert werden kann, daß sie wesentlich kleiner ist. Da das Schmelzen immer zuerst unmittelbar neben dem Anfangsweg eintritt, korreliert die "Y"-Ausdehnung des Schmelzsumpfs typischerweise mit der vertikalen Ausdehnung des Anfangswegs. Nach dem Abkühlen umfaßt der Schmelzsumpf einen kristallinen und/oder Glasmonolithen mit annähernd der Größe und Form des letzten Schmelzsumpfs. Die "X"-Ausdehnung (Breite) 54 von 6 des Schmelzsumpfs ist typischerweise etwas größer als die Ausdehnung zwischen den beiden Elektroden. Zwar kann ein gewisses Wachstum in der "X"-Ausdehnung über die Ausdehnung des Elektrodenabstands hinaus erwartet werden, doch ist ein solches Wachstum voraussehbar, so daß es die Wirtschaftlichkeit der vorliegenden Erfindung nicht beeinflußt.

7 zeigt, daß es mit der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Form einer Schmelze zu gestalten, um einen Ort genauer und kosteneffektiver zu sanieren. Im Falle, daß eine zu sanierende Stelle eine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Form umfaßt (dargestellt durch den Umriß 56), wäre bei der herkömmlichen Technologie im Stand der Technik ein 4-Elektrodensatz (57a, b, c, d) erforderlich, wobei ein im wesentlichen kreisförmiger Schmelzsumpf 58 entstünde. Bei der vorliegenden Erfindung erzeugt ein gleichartiger 4-Elektrodensatz jedoch zwei getrennte Schmelzsümpfe (59, 61), die zu einer ungefähr rechteckigen Form 63 zusammenschmelzen. Wie aus dem Grundriß von 7 ersichtlich ist, erspart der Schmelzsumpf 63 der vorliegenden Erfindung das Schmelzen von zusätzlichem Material (wie bei 65) und erhöht so die Kosteneffektivität des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Material für den Anfangsweg besteht vorzugsweise aus einer Kombination aus Graphit-Flocken und Glasfritten. Wie dem Fachmann klar sein wird, kann jedoch jedes elektrisch leitende Material mit dem gewünschten Widerstandswert für die gewünschte Schmelzengröße als Material für den Anfangsweg verwendet werden. Wie nachstehend ausführlicher erklärt, hat die Anmelderin gefunden, daß bei bestimmten Anwendungen eine Anfangswegmischung etwa 50% Graphit-Flocken und 50% Glasfritten umfassen kann und in einem solchem Fall einen optimalen Widerstand zum Schmelzen der umgebenden Erde ergibt. Erwartungsgemäß wird das optimale Material für den Anfangsweg je nach den unterschiedlichen Anwendungen der Erfindung verschieden sein – die Ausgestaltung ergibt den gewünschten Widerstand für den elektrischen Fluß zum Zwecke des Aufheizens, um die gewünschte Schmelzgeometrie bereitzustellen.

Die Elektroden – und damit der Anfangsweg – sind in den meisten Fällen vertikal in dem zu behandelnden festen Material ausgerichtet. Bei relativ schmalen Schmelzen (Z-Richtung) können Elektroden und Anfangsweg von Beginn an in der Nähe der vollen Zieltiefe positioniert werden, wodurch es möglich wird, die umgebenden festen Materialien fast unmittelbar nach der Einleitung des Vorgangs in voller Tiefe zu schmelzen. Aufgrund der Einleitung in der vollen Tiefe sind die Ausdehnungen "X" und "Z" an den untersten Bereichen des Schmelzsumpfs viel kleiner als beim herkömmlichen Schmelzen von oben nach unten, wo der Schmelzsumpf seitlich wächst, während er sich nach unten bis zur Zieltiefe ausweitet.

Der verbesserte Anfangsweg der vorliegenden Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem herkömmlichen ISV-Betrieb. Geht man von einer Zieltiefe von mehr als ein paar Fuß (0,6 m) aus, zum Beispiel etwa 20 Fuß (6,1 m), so ist das Schmelzen mit der vorliegenden Erfindung weitaus schneller und mit besserem Wirkungsgrad beendet als bei der herkömmlichen ISV. Bei der herkömmlichen ISV muß man bis auf volle Kraft hochfahren, da mit größer werdender Schmelze ein höherer Strom auf den sich ausdehnenden Schmelzsumpf angewandt wird. Mit der vorliegenden Erfindung ist Vollastbetrieb viel schneller möglich, so daß sich das durchschnittliche Schmelzleistungsniveau erhöht und die Gesamtzeit des Schmelzzyklus um 10-20% verringert wird.

Die Anmelderin hat auch gefunden, daß die Durchführung von Schmelzen mit planarem Anfangsweg energieeffizienter ist als bei Schmelzenausführungen im Stand der Technik. Der verbesserte Energiewirkungsgrad ergibt sich daraus, daß bei dem hohen Seitenverhältnis der vorliegenden Erfindung weniger Wärme an die Bodenoberfläche verlorengeht als bei niedrigen Seitenverhältnissen des Standes der Technik festzustellen ist (der Schmelzsumpf wächst nicht so stark zu den Seiten). Auch dies trägt zur Kosteneffektivität der vorliegenden Erfindung bei.

Die Kontrolle der Form der Schmelze wird bei den meisten Verglasungs- oder Schmelzanwendungen in den Vordergrund treten, bei denen maximale Schmelzsumpfbreite ("Z") nicht erwünscht ist. Von größtem Nutzen ist vermutlich die Möglichkeit, die Betriebskosten erheblich zu senken: da die Schmelze gezielter durchgeführt und besser eingegrenzt werden kann, kommt es weniger zu "Überschmelzen", und die Einsparungen an Zeit und Energie, in Verbindung mit schnellerem Umsatz des Geräts, kann die Gesamtkosten um 25-50% im Vergleich zum Stand der Technik verringern.

Die Bedeutung der vorliegenden Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels noch klarer.

Es wurde ein Groß-ISV-Test durchgeführt, um die Durchführbarkeit der vorliegenden Erfindung in einer wirklichen in situ-Umgebung zu bestimmen. An einem Ort außerhalb von Spokane, WA, USA, bereitete die Anmelderin eine relativ unberührte Stelle unter Verwendung des kommerziellen in situ-Verglasungsgeräts der Anmelderin vor. Es wurden herkömmliche feste Graphit-Elektroden mit einem Durchmesser von 12 inch (30 cm) verwendet. Nach dem Aushub wurden Sonotubes mit Elektroden darin (beladen mit einer Mischung aus 1 Teil Glasfritten auf 2 Teile Graphit-Flocken) in einem Abstand von 15' (4,6 m) gesetzt. Der planare Anfangsweg wurde aufgebaut durch Aufeinanderstapeln mehrerer Rohre mit einem Durchmesser von 3'' (7,6 cm) zwischen den Elektroden. Es wurden 16 Rohre aufeinandergestapelt, um einen Anfangsweg mit 4' (1,2 m) Höhe und 3'' (7,6 cm) Dicke zu bilden, und die Erde wurde beim Aufeinanderstapeln der Rohre wieder verfüllt. Die Rohre des Anfangswegs wurden jeweils mit 3 Teilen Glasfritten auf 2 Teile Graphit-Flocken gefüllt.

In Übereinstimmung mit anderen Anfahrvorgängen unter Anwendung der vorliegenden Erfindung beobachtete die Anmelderin, daß das elektrische Betriebsverhalten bei diesem Beispiel außergewöhnlich reibungslos war, während es bei den Anfahrvorgängen im Stand der Technik häufiger zu unberechenbaren Änderungen der elektrischen Parameter kam, die beim Anfahren sorgfältig von Hand kontrolliert werden müssen. Der Test lief über einen Zeitraum von etwa 24 Stunden, währenddessen eine planare wandförmige Schmelze bis auf eine Tiefe von 5' (1,5 m) mit einer Breite von durchschnittlich 2' (0,6 m) erzeugt wurde (Seitenverhältnis von etwa 2,5). Das verglaste Volumen zeigte nahezu senkrechte Seitenwände. Der Wirkungsgrad der Stromnutzung belief sich auf 1 kWh/Tonne (1,1 kWh/t) abgekühlter Masse. Nach der Erfahrung der Anmelderin hätte eine herkömmliche Schmelze mehrere Tage benötigt, um eine Tiefe von 5' (1,5 m) zu erreichen, und hätte eine übermäßig breite Schmelze zwischen etwa 4' (1,2 m) und 5' (1,5 m) bei erheblich niedrigeren Energiewirkungsgraden ergeben.

ERGEBNISSE: Nach Abschalten des Stroms und Abkühlenlassen der verfestigten Masse 70 (9) wurde die Ausdehnung der Masse vermessen. Die Gesamtausdehnung "X" 74 war etwa 15' (4,6 m) – die Entfernung zwischen den Elektroden 72. In der "X"-Ausdehnung war kein Wachstum über die Elektroden hinaus zu verzeichnen. Die Höhe ("Y"-Ausdehnung) der Masse reichte von 55'' (138 cm) bis 58'' (147 cm), und die Breite der Schmelze ("Z"-Ausdehnung) 76 belief sich auf 16'' (41 cm) bis 30'' (76 cm). Bei diesem Test wurden keine Anstrengungen zur Optimierung des Energiewirkungsgrads unternommen.

DISKUSSION: Es zeigt sich, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine große Breite an ISV-Ausführungsformen zur Behandlung fester Materialien mit einer Reihe von möglichen Abmessungen bietet, die bislang nicht zur Verfügung standen. Mit der vorliegenden Erfindung können Schmelzen zu weitaus niedrigeren Kosten und mit erhöhter Sicherheit gestaltet und durchgeführt werden. Bei der Behandlung von Abfällen beispielsweise, die in Gräben vergraben sind wie in 2 angegeben, ermöglicht die vorliegende Erfindung das "Ausspülen" von Dämpfen an den Seiten des Schmelzsumpfs ohne Störung des Sumpfs wie es bisher der Fall war. Wie in 10 dargestellt, können die Dämpfe 80 aus der Flüssigkeit 82 am Boden des Schmelzsumpfs 84 innerhalb des Grabens 86 entweichen. Da das Seitenverhältnis des Schmelzsumpfs wesentlich größer ist als beim herkömmlichen ISV-Verfahren, überspannt der Schmelzsumpf den Graben nicht bis zu den Seiten, ehe er den Boden des Grabens erreicht. Dies ist besonders hilfreich, wenn Seitenwände aus Stein vorhanden sein können. Bei Optimierung kann erwartet werden, daß der Energiewirkungsgrad von erfindungsgemäß hergestellten Schmelzen 0,7 oder weniger beträgt.

Ein massiver Monolith kann aufgebaut werden durch Einleitung aufeinanderfolgender, nebeneinanderliegender Schmelzen (11). Bei dieser Ausführungsform können aufeinanderfolgende Elektrodensätze 90, 92, 94 bereitgestellt werden, wobei die jeweiligen Schmelzsümpfe 96, 98, 100 zusammenschmelzen, um einen relativ kubischen Block 102 zu bilden, ohne die mit dem Stand der Technik verbundene "Ballon"-Form und die damit einhergehende unbeabsichtigte Verglasung von benachbarter, nicht verunreinigter Erde. Alternativ können relativ dünne Wände (12) aufgebaut werden durch Hintereinanderschalten von aufeinanderfolgenden Elektrodensätze 104, 106, 108, um einzelne benachbarte Wände 110, 112, 114 zu bilden, die zusammenschmelzen. Solche Wände können gerade, segmentiert (im allgemeinen gebogen) oder zu geschlossenen Formen angeordnet werden, die unter anderem für unterirdische Barrieren verwendet werden, um die Wanderung von Schadstoffen zu verhindern, oder als "Gewölbe" um einen diskreten Schadstoffbereich, um im wesentlichen den betroffenen Bereich einzugrenzen.

Mit Hilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung können noch andere Formen aufgebaut werden. Wie in 13 dargestellt, können beispielsweise mehrere planare Anfangswege übereinander angeordnet werden, um aus mehreren hart gewordenen Schmelzsümpfen 116, 118, 120 eine senkrechte Wand aufzubauen. Eine solche Ausgestaltung kann verwendet werden, wenn es impraktikabel oder unzweckmäßig ist, die Wand in einer einzigen Schmelze aufzubauen, wenn die gewünschte Tiefe die praktischen Beschränkungen für die Schmelztiefe der vorliegenden Erfindung übersteigt, oder wenn Beschränkungen bezüglich des Leistungsniveaus des verfügbaren Geräts bestehen. Für eine solche Ausführungsform können Ein- oder Mehrelektrodensätze verwendet werden.

Es können unterirdische Schichten vorliegen, wobei eine diskrete, stark verunreinigte organische Schicht 130 in horizontaler Ausrichtung abgelagert ist, wie in 14a graphisch dargestellt. Wenn ein herkömmlicher Schmelzsumpf 132 mit niedrigem Seitenverhältnis und breiter Untergrenze 134 die Schicht berührt, so wird eine große Menge an organischem Material schnell verdampft (bei 136) und übersteigt womöglich die Kapazität des Abgasbehandlungssystems 46 zur Behandlung der freigesetzten Gase. Außerdem wird durch den langen Weg der Dämpfe zur Durchquerung des unteren Teils der Schmelze 132 die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß ein Teil der Dämpfe nach oben durch die Schmelze dringt und so die vorstehend festgestellten Probleme verursacht. Der Schmelzsumpf 138 der vorliegenden Erfindung (in 14b in rechtem Winkel zur Ausrichtung von 14a angeordnet) greift dagegen die organische Schicht 130 mit einer relativ kleinen Untergrenze 140 an, und sobald er durch die Schicht hindurch ist, sind die seitlichen Grenzen 142 des Schmelzsumpfs ebenfalls klein genug, um eine leicht zu handhabende Menge an verdampftem organischen Material 144 zu ergeben.

15 zeigt graphisch die mathematische Beziehung zwischen dem Seitenverhältnis (Tiefe/Breite) und den einzelnen Tiefen und Breiten, und liefert ein Verfahren zur Ermittlung der Tiefe des planaren Anfangswegs, die zur Erzeugung einer Schmelze mit der gewünschten Tiefe und dem gewünschten Seitenverhältnis erforderlich ist. Mit dem auf der Ordinate aufgetragenen Seitenverhältnis und der auf der Abszisse aufgetragenen Tiefe kann die Breite der Schmelze, die diesen Bedingungen genügt, aufgefunden werden wie durch die Breitenlinien 2', 5', 10' und 15' (0,7 m, 1,5 m, 3 m, 4,6 m) der Schmelze gezeigt, die vom Ursprung ausgehen. Es können ähnliche Linien für jede gewünschte Breite der Schmelze gezeichnet werden. Um den Gebrauch der eingezeichneten Breitenlinien der Schmelze zu verstehen, mache man sich zum Beispiel klar, daß eine 10' (3 m) breite Schmelze mit einer Tiefe von 30' (9 m) ein Seitenverhältnis von 3 erfordert. In ähnlicher Weise ist bei einer 10' (3 m) tiefen Schmelze mit einer Breite von 5' (1,5 m) ein Seitenverhältnis von 2 erforderlich.

Zwar kann das Diagramm von 15 von Ingenieuren verwendet werden, um das für eine bestimmte Schmelze erforderliche Seitenverhältnis anzugeben, doch müssen diese Angaben mit den inhärenten Wachstumseigenschaften von Schmelzen in den behandelten Medien gekoppelt werden, um die Tiefe eines planaren Anfangswegs zu bestimmen, die für eine spezielle Schmelze anzuwenden ist. Ein solches Koppeln ist durch die gekrümmten Linien im Diagramm gezeigt, die für 8' (2,4 m) und 12' (3,6 m) tiefe Schmelzen planarer Anfangswege in typischer Siliciumdioxid-basierter Erde stehen – die Linien 8' (2,4 m) und 12' (3,6 m) stehen für die Anfangstiefe des planaren Anfangswegs. Ähnliche Linien können für Anfangswege mit anderen Tiefen konstruiert werden.

Ist eine 10' (3 m) tiefe Schmelze mit einem Seitenverhältnis von 2 (z.B. 5' (1,5 m) breit) gewünscht, so würde ein Ingenieur eine planare Schmelze mit einem 8' (2,4 m) tiefen planaren Anfangsweg verwenden. Eine solche planare Schmelze würde 8' (2,4 m) tief mit einem sehr hohen Seitenverhältnis beginnen und zu dem Zeitpunkt, an dem sie bis zu einer Tiefe von 10' (3 m) geschmolzen ist, auf eine Breite von 5' (1,5 m) anwachsen, womit das Ziel – gewünschte Tiefe und gewünschtes Seitenverhältnis – erreicht wäre.

Wird eine 15' (4,5 m) tiefe und 7' (2,1 m) breite Schmelze gewünscht, so kann diese nicht mit einem 8' (2,4 m) tiefen planaren Anfangsweg bewerkstelligt werden, kann aber erreicht werden durch Verwendung eines 12' (3,6 m) tiefen planaren Anfangswegs. Der 12' tiefe Anfangsweg würde zunächst eine Schmelze mit sehr hohem Seitenverhältnis ergeben und sich zu dem Zeitpunkt, an dem er bis zu einer Tiefe von 15' (4,6 m) geschmolzen ist, auf 7' (2,1 m) verbreitern und die Zielabmessungen mit einem Seitenverhältnis von etwa 2,1 erreichen.

Wird eine wandartige Schmelze von 10' (3 m) Tiefe und 2' (0,6 m) Breite gewünscht, so kann ein 9' (2,7 m) tiefer Anfangsweg verwendet werden. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Schmelze bis auf eine Tiefe von 10' (2 m) gewachsen ist, ist sie auf eine Breite von etwa 2' (0,6 m) angewachsen.

Es zeigt sich, daß die planaren Anfangswege Schmelzen erheblich unter ihrem Ausgangspunkt ergeben können, was jedoch zu Lasten des Seitenverhältnisses und des Wirkungsgrads der Schmelze geht. In dem obigen ANSCHAUUNGSBEISPIEL II könnte beispielsweise ein 8' (2,4 m) tiefer Anfangsweg für eine 15' (4,6 m) tiefe Schmelze verwendet werden, doch wäre das Seitenverhältnis nur etwa 1,3. Wird ein höheres Seitenverhältnis gewünscht, so ist ein tieferer Anfangsweg erforderlich. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde die Anmelderin in die Lage versetzt, ein mathematisches Modell für diese Beziehungen auf der Grundlage der tatsächlichen Schmelzeigenschaften verschiedener zu behandelnder Medien zu entwerfen.

Zwar wurde eine Reihe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin gezeigt und beschrieben, doch wird dem Fachmann klar sein, daß viele weitere Änderungen und Abwandlungen an der offenbarten Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, so wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.