способ обработки органических отходов для образования отдельных газовых потоков, обогащенных водородом и окислом углерода

Формула изобретения

1 1. Способ обработки органических отходов, содержащих водород и углерод, включающий введение органических отходов в расплавленный металл, находящийся в реакторе, и обработку их в расплавленном металле с образованием обогащенного водородом и окислом углерода газовых потоков, отличающийся тем, что введение органических отходов в расплавленный металл ведут в условиях, достаточных для разложения органических отходов и образования обогащенного водородом газового потока и карбонизации расплавленного металла, выведение практически всего образованного обогащенного водородом газового потока из реактора, последующее добавление отдельного окислителя в карбонизированный расплавленный металл для окисления углерода, содержащегося в карбонизированном расплавленном металле, с образованием обогащенного окислом углерода газового потока и декарбонизацией расплавленного металла и выведение практически всего образованного обогащенного окислом углерода газового потока из реактора. 2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обогащенный окислом углерода газовый поток содержит окись углерода. 2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный металл содержит железо. 2 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый отдельный окислитель содержит газообразный кислород. 2 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обогащенный окислом углерода газ содержит газообразные окись и двуокись углерода. 2 6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что расплавленный металл выбирают так, чтобы обеспечить значительно увеличенное мольное отношение двуокись углерода : окись углерода по сравнению с таким отношением, получаемым в расплавленном железе. 2 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что расплавленный металл содержит марганец. 2 8. Способ по п.6, отличающийся тем, что расплавленный металл содержит два несмешивающихся металла, из которых первый несмешивающийся имеет свободную энергию окисления в условиях расплавленного металла большую, чем свободная энергия окисления атомного углерода, с образованием окиси углерода, а второй несмешивающийся металл имеет свободную энергию окисления в условиях расплавленного металла большую, чем свободная энергия окисления окиси углерода, с образованием двуокиси углерода. 2 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанный расплавленный металл содержит несмешивающуюся смесь железа и меди.

Описание изобретения к патенту

Удаление органических отходов на мусорных свалках и с помощью мусоросжигателей становится возрастающей трудной проблемой из-за снижения доступности очищаемого пространства, ужесточения правительственных требований и роста осведомленности населения о степени влияния на окружающую среду загрязнения опасными веществами. Сброс вредных органических веществ в окружающую среду может загрязнять воздух и воду, способствуя поэтому снижению уровня жизни к пострадавшего населения.

Для минимизации влияния на экологию удаления органических отходов должны быть разработаны способы превращения этих отходов в безвредные и, предпочтительно, в полезные вещества. В ответ на эту потребность имеется достаточный вклад в разработку различных способов пригодной обработки вредных органических отходов. Один из наиболее перспективных новых способов описан в патентах США 4574714 и 4602574, выданных Баху и Нагелю. Способ Баха-Нагеля уничтожения органических отходов, в том числе токсичных отходов, включает разложение органического материала до его атомных составляющих в расплавленном металле и преобразования этих атомных составляющих в экологически приемлемые продукты, включая водород, газообразные окись углерода и/или двуокись углерода.

Настоящее изобретение относится к способу обработки органических отходов в расправленном металле, находящемся в сосуде, с последующим образованием обогащенного и окислом углерода газовых потоков.

В одном варианте осуществления изобретения способ обработки органических отходов, содержащих водород и углерод, включает введение органических отходов в расплавленный металл, находящийся в ректоре и обработку их в расплавленном металле с образованием обогащенного водородом и окислом углерода газовых потоков. Способ характеризуется тем, что органические отходы вводят в расплавленный металл в условиях, достаточных для разложения органических отходов и образования обогащенного водородом газового потока и карбонизации расплавленного металла. Практически весь образованный обогащенный водородом газовый поток из реактора выводится. После этого, осуществляют добавление отдельного окислителя в карбонизированный расплавленный металл для окисления углерода, содержащегося в нем с образованием обогащенного окислом углерода газового потока и декарбонизацией расплавленного металла. Практически весь образованный обогащенный окислом углерода газовый поток впоследствии из реактора выводится.

В другом варианте изобретения, используемого для увеличения количества двуокиси углерода до окиси углерода в обогащенном окислом углерода газовом потоке, органические отходы вводятся в расплавленный металл, находящийся в сосуде, который содержит два несмешивающихся металла, причем первый несмешивающийся металл имеет свободную энергию окисления, в рабочих условиях, большую, чем свободная энергия окисления окиси углерода до двуокиси углерода, без добавления отдельного окислителя и в условиях, достаточных для разложения органических отходов и образования обогащенного водородом газового потока и карбонизации по крайней мере одного из двух несмешивающихся металлов. Обогащенный водородом газовый поток впоследствии выводится из сосуда. После этого к карбонизированному расплавленному металлу добавляется отдельный окислитель для окисления углерода, содержащегося в карбонизированном расплавленном металле, с образованием обогащенного окисью углерода и двуокисью углерода газового потока, имеющего значительно увеличенное отношение двуокись углерода : окись углерода по сравнению с этим отношением, полученным в расплавленном железе в тех же условиях, и с декарбонизацией расплавленного металла. Обогащенный окислом углерода газовый поток впоследствии выводится из сосуда.

Данное изобретения имеет преимущество обработки органических отходов с образованием обогащенного потока газообразного водорода и отдельного обогащенного потока газообразного окисла углерода, такого как окись углерода или двуокись углерода или обоих окислов. Обогащенные водородом и/или окислом углерода газовые потоки являются особенно желательными. Например, обогащенный поток газообразного водорода, в частности, используется в синтезе аммиака или кетоспирта и в процессах гидрирования или десульфуризации. Водород является также превосходным "чистым" или "свободным от тепличного газа" топливом.

На фиг. 1 схематически представлена система последовательного образования обогащенного водородом и обогащенного окислом углерода газовых потоков из органических отходов в расплавленном металле с помощью способа согласно данному изобретению.

На фиг. 2 представлен график изменения свободной энергии при различных температурах для окисления никеля, железа и углерода.

Характеристики и другие детали способа изобретения будут теперь более конкретно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи и отражены в форме изобретения. Должно быть понятно, что частные варианты изобретения даются в целях иллюстрации, а не как ограничение изобретения. Основные характеристики данного изобретения могут быть использованы в различных вариантах без отступления от объема изобретения.

Настоящее изобретение относится к способу обработки органических отходов в расплавленном металле с образованием отдельных, обогащенных водородом и окислом углерода, газовых потоков. Данное изобретение является улучшением способа Бажа-Нагеля, описанного в патентах США 4574714 и 4602574, описание которых приводится для сравнения.

Один вариант изобретения иллюстрируется фиг. 1. Здесь система 10 включает реактор 12. Примеры пригодных реакторов включают в себя, соответственно, модифицированные стальные сосуды, известные в технике как К-ВОР, Q-ВОР, аргонно-кислородные печи декарбонизации (АКД=AOD), BOF и т.п. Реактор 12 имеет верхнюю часть 14 и нижнюю часть 16. Выход 18 выходящего газа отходит от верхней части 14 и предназначен для вывода композиции отходящего газа из реактора 12.

Труба 20 впуска органических отходов включает впуск 22 органического материала и отходит от нижней части 16 реактора 12. Линия 24 идет от источника 26 органических отходов к трубе впуска 20 органических отходов.

В линии 24 установлен насос 28 для подачи органических отходов от источника 26 органических отходов по впускной трубе 20 органических отходов в расплавленный металл, находящийся в реакторе 12.

В нижней части 16 реактора 12 расположена фурма 30. Фурма 30 содержит трубу 32 подачи окислителя для инжекции отдельного окислителя через впуск 34 окислителя. Линия 36 идет от трубы 32 окислителя до источника 38 окислителя. Наружная труба 40 фурмы 30 расположена концентрически вокруг трубы 32 окислителя у впуска 34 окислителя. Линия 42 проходит от наружной трубы 40 до источника 44 экранирующего газа для подачи соответствующего экранирующего газа от источника 44 экранирующего газа через концентрический зазор между наружной трубой 40 и трубой 32 окислителя до впуска 34 окислителя.

Необходимо понимать, однако, что в нижней части реактора 12 для введения органических отходов и окислителя в реактор 12 может быть предусмотрено более одной трубы подачи органических отходов и более одной трубы подачи окислителя или их комбинация. Соответствующие отходы могут быть также, необязательно, введены в реактор 12 через люк 46 и/или поданы от источника 26 органических отходов по линии 47 в пространство 64 для газа в реакторе 12 Окислитель может быть введен в реактор 12 из источника 38 по линии 39. Для введения органических отходов в расплавленный металл в реактор карбонизации 12 могут быть также использованы другие средства, такие как инжекционная фурма (не показано).

От нижней части 16 отходит выпускной желоб 48, который предназначен для вывода расплавленного металла из реактора 12.

В нижней части 16 установлена индукционная катушка 50 для нагревания расплавленного металла 56 в реакторе 12. Должно быть понятно, что, альтернативно, реактор 12 может нагреваться другими подходящими средствами, такими как топливные форсунки (горелки), электродуга и т.д.

В реакторе 12 для манипулирования им предусмотрены оси поворота 52. Между выходом 18 отходящего газа и люком 46 предусмотрено уплотнение 54, которое предназначено для обеспечения частичного вращения реактора 12 вокруг осей поворота 52 без разрушения уплотнения 54.

Расплавленный металл 56 загружается в реактор 12. В одном варианте расплавленный металл 56 содержит металл, имеющий свободную энергию окисления в рабочих условиях системы 10, которая больше свободной энергии превращения атомного углерода в окись углерода. Примеры пригодных металлов включают железо, хром и марганец. Расплавленный металл 56 может включать в себя более одного металла. Например, расплавленный металл 56 может содержать раствор смешивающихся металлов, таких как железо и хром, железо и медь.

Пригодными металлами являются металлы с точкой плавления в рабочих условиях системы. Предпочтительно, например, чтобы система 10 работала в температурном интервале от примерно 1300^oC до примерно 1700^oC.

Пригодные металлы должны также иметь растворимость углерода, достаточную для того, чтобы обеспечить генерирование значительных количеств водорода при разложении органических отходов и карбонизацию расплавленного металла. Таким образом, предпочтительными являются металлы с растворимостью углерода более 0,5 мас. %, и наиболее предпочтительными являются металлы с растворимостью углерода более 2 мас.%. В тех случаях, когда используется более одного металла, по крайней мере один из металлов должен иметь указанную выше растворимость.

Во многих случаях также предпочтительно иметь вязкость расплавленного металла в реакторе 12 менее примерно 10 сП в условиях работы реактора 12.

Расплавленный металл 56 образуется при по крайней мере частичном заполнении реактора 12 соответствующим металлом. Металл затем нагревается до соответствующей температуры приведением в действие индукционной катушки 52 или других соответствующих средств (не показано). Пригодные условия работы системы 10 включают температуру, достаточную для по крайней мере частичного превращения органических отходов разложением до водорода и углерода. Обычно температура в пределах от примерно 1300^oC до примерно 1700^oC является пригодной.

Необязательно, расплавленный металл 56 может иметь сверху слой стекла или шлака 62. Слой стекла 62, который помещается на расплавленном металле 56, практически не смешивается в расплавленным металлом 56. Слой стекла 62 может иметь более низкую теплопроводность по сравнению с расплавленным металлом 56. Поэтому потери теплоизлучения от расплавленного металла 56 могут быть значительно меньше потерь теплоизлучения от ванны с расплавом, где слой стекла отсутствует.

Обычно слой стекла 62 содержит по крайней мере один окисел металла, имеющий свободную энергию окисления, в условиях работы системы 10, меньшую, чем свободная энергия окисления атомного углерода до окиси углерода, такой как окись кальция (CaO). Слой стекла 62 может содержать пригодное соединение очищающих галогенов, таких как хлор или фтор, для предотвращения образования газообразных галоидов водорода, таких как хлористый водород.

Широкий ряд органических отходов является пригодным для обработки по данному изобретению. Например, пригодными органическими отходами является водородсодержащий углеродистый материал, такой как масло, или отходы, которые содержат органические соединения, содержащие азот, серу, кислород и т. д. Необходимо понимать, что органические отходы могут содержать неорганические соединения. Кроме углерода и водорода, органические отходы могут содержать другие атомные составляющие, такие как галогены, металлы и т.д.

Органические отходы не должны быть безводными. Однако значительное содержание воды в органических отходах может быть причиной того, что вода будет действовать как окислитель, препятствуя образованию обогащенного водородом газа. Для получения большого выхода обогащенного водородом газа предпочтительные органические отходы включают в себя относительно высоководородсодержащий углеродистый материал, такой как пропан, бутан и т.д. Для получения большего выхода обогащенного окислом углерода газа предпочтительные органические отходы включают в себя низководородсодержащий углеродистый материал, такой как смолы, масла, олефины и т.д.

Органические отходы подаются насосом 28 от источника 26 органических отходов по линии 24 и инжецируются в расплавленный металл 56 по трубе подачи 20 органических отходов. В одном варианте органические отходы являются жидкостью, которая может содержать компоненты органических отходов, растворенные или суспендированные в жидкости. В другом варианте твердые частицы компонентов органических отходов суспендируются в инертном газе, таком как аргон.

Поданные в расплавленный металл 56 органические отходы превращаются в углерод, водород и другие атомные составляющие. Атомный водород затем превращается в водород-газ при отсутствии окислителя, а расплавленный металл одновременно карбонизируется. Используемый здесь термин "карбонизировать" означает присоединение атомного углерода к расплавленному металлу с увеличением общего количества углерода, содержащегося в расплавленном металле, без каких-либо значительных потерь углерода из расплавленного металла в результате окисления отдельно добавленным окислителем. Понятно, конечно, что органические отходы могут содержать один или более окислителей, но они не считаются отдельно добавленными окислителями.

Газообразный водород мигрирует через расплавленный металл 56 в результате диффузии, барботирования или других причин. По крайней мере часть водорода мигрирует к части расплавленного металла 56, ближайшей к выходу 18 отходящего газа с образованием обогащенного водородом газового потока. Используемый здесь термин "обогащенный водородом газовый поток" означает газовый поток, в котором мольная фракция водорода, содержащегося в газовом потоке по отношению к общему содержанию водорода и окисла углерода в газовом потоке, больше, чем обычно получается в типовом способе, описанном Бахом-Нагелем в патентах США 4574714 и 4602574, одновременно комбинированного разложения и окисления органических отходов. Мольная фракция водорода является отношением молей водорода, содержащегося в газовом потоке, к сумме молей газообразного водорода и молей газообразного окисла углерода, содержащихся в газовом потоке.

Концентрация углерода, растворенного в расплавленном металле 56, предпочтительно ограничивается количеством ниже точки насыщения углерода при температуре расплавленного металла 56. Таким образом, для железа концентрация атомного углерода, предпочтительно, ограничивается концентрацией менее 5 мас.% при температуре 1800^oC. Когда расплавленным металлом 56 является кобальт, точка насыщения углерода находится в пределах от примерно 3 мас.% при 1400^oC до примерно 4,3 мас.% при 1800^oC. Аналогично для марганца точка насыщения углерода находится в пределах от примерно 8 мас.% при 1400^oC до примерно 8,5 мас.% при 1800^oC. Для хрома точка насыщения углерода находится в пределах от примерно 11 мас.% при 1800^oC до примерно 15 мас.% при 2000^oC.

Если углерод, содержащийся в расплавленном металле, становится нерастворимым в результате того, что расплавленный металл насыщается углеродом, нерастворимая часть углерода может захватываться обогащенным водородом газовым потоком и поэтому выводится из расплавленного металла через выход 18 отходящего газа. В этом случае подходящее устройство, известное в технике, может быть использовано для отделения захваченной углеродной пыли от водородного газового потока. Примеры пригодного устройства включают в себя циклонный сепаратор или фильтр с приемником для пыли.

После того, как из расплавленного металла генерируется нужное количество обогащенного водородом газового потока, пригодный окислитель подается из источника 38 окислителя по линии 36 и инжецируется через трубу 32 подачи окислителя в расплавленный металл 56. В одном варианте отдельный окислитель подается в расплавленный металл 56, когда углерод, который растворяется в расплавленном металле, приближается к насыщению в расплавленном металле. Отдельный окислитель подается в расплавленный металл отдельно от органических отходов. Примеры пригодных окислителей включают в себя кислород, воздух, оксиды железа и т.д., причем предпочтительным окислителем является газообразный кислород.

Введение отдельного окислителя в карбонизированный расплавленный металл обеспечивает получение обогащенного окислом углерода газового потока, т.к. углерод в металле окисляется с декарбонизацией металла. Используемый здесь термин "обогащенный окислом углерода газовый поток" означает газовый поток, в котором мольная фракция газообразного окисла углерода, содержащегося в газовом потоке, по отношению к общему содержанию водорода и окисла углерода в газовых потоках, больше, чем обычно получается в типовом способе, описанном Бахом-Нагелем а патентах США 4574714 и 4602574, одновременного комбинированного разложения и окисления органических отходов. Мольная фракция газообразного окисла углерода является отношением молей газообразного окисла углерода в газовом потоке, к сумме молей газообразного водорода и молей газообразного окисла углерода, содержащихся в газовом потоке.

Используемый здесь термин "отдельное от органических отходов введение окислителя в расплавленный металл" означает инжекцию окислителя отдельно по времени от органических отходов для того, чтобы обеспечить образование получаемых отдельного водородного газового потока и отдельного окислоуглеродного газового потока.

Расплавленный металл 56 имеет температуру, достаточную для того, чтобы органические отходы, вводимые в расплавленный металл 56, превращались в углерод, водород и другие атомные составляющие и, чтобы водород в расплавленном металле 56 превращался в газообразный водород и карбонизировался расплавленный металл. Окислитель, который окисляет углерод, содержащийся в расплавленном металле, подается в ванну с расплавом после того, как выводится обогащенный водородом газ, и образует газообразный окисел углерода, в результате чего образуется обогащенный окислом углерода газовый поток.

Отношение окиси углерода и двуокиси углерода в газообразной композиции окислов углерода может регулироваться рядом способов. Это относится к селекции металла или металлов. Например, железо имеет тенденцию к получению окиси углерода, тогда как расплавленный никель или марганец имеет тенденцию к получению увеличенного количества двуокиси углерода.

В патенте США 5177304, выданном Нагелю (5 января 1993 г.), описывается способ и система для увеличения образования двуокиси углерода из углеродистого материала в ванне расплава несмешивающихся металлов. Описание этого патента приводится здесь для сравнения. Как описывается здесь, увеличенное количество двуокиси углерода может быть получено из ванны расплавленного металла, в которой содержатся два несмешивающихся расплавленных металла, первый из которых имеет свободную энергию окисления, большую, чем свободная энергия окисления окиси углерода при образовании двуокиси углерода.

Описанное здесь изобретение не ограничивается приведенными выше вариантами. Например, альтернативный вариант может включать введение органических отходов в расплавленный металл без добавления отдельного окислителя и в условиях, достаточных для разложения органических отходов, в результате чего карбонизируется расплавленный металл, и образуется обогащенный водородом газовый поток.

Еще в одном варианте расплавленный металл может быть карбонизирован с получением обогащенного водородом газового потока в одной части реактора и декарбонизирован добавлением отдельного окислителя с получением обогащенного окислом углерода газового потока в другой части того же реактора. Реактор может иметь форму, отличающуюся в широких пределах, и не должен точно соответствовать конфигурации, показанной здесь на чертеже.

Пример 1.

Органические отходы, содержащие органическое соединение, имеющее в составе водород и углерод, такие как бутан, подаются в систему, как показано на фиг. 1. Металлом является железо при температуре примерно 1800^oC. Органические отходы разлагаются в расплавленном металле на их атомные составляющие, включая углерод и водород. Образуемый газообразный водород выводится из реактора через выпуск отходящего газа в виде обогащенного водородом газового потока. Одновременно карбонизируется расплавленный металл.

После удаления газообразного водорода к карбонизированному расплавленному металлу в системе затем добавляется окислительногазообразный кислород. Реакция углерода с окислителем имеет место, предпочтительно, до окисления железа в расплавленном металле так, как можно видеть на фиг.2, свободная энергия окисления углерода (кривая 1) ниже, чем железа (кривая 2) при температуре расплавленного металла. Углерод, предпочтительно, образует окись углерода до образования окисла железа или двуокиси углерода, т.к. свободная энергия окисления до двуокиси углерода (кривая 3) больше, чем свободная энергия окисления железа (кривая 2), которая больше, чем свободная энергия окисления углерода с образованием окиси углерода (кривая 1). Газообразный кислород добавляется до тех пор, пока углерод не выводится из расплавленного металла. Окись углерода отделяется из расплавленного металла через выход отходящего газа, которая затем направляется в сборник окиси углерода (не показано) или выпускается в атмосферу.

Пример 2.

В реактор конструкции, подобной показанной в примере 1, подаются в расплавленный металл реактора органические отходы, содержащие органическое соединение, имеющее в своем составе водород и углерод, такое как бутан. Однако расплавленным металлом, является никель при температуре примерно 1800^oC. Органические отходы образуют атомные составляющие углерода и водорода в расплавленном металле, вызывая отделение водорода от углерода при разложении водорода с образованием газообразного водорода. Газообразный водород выводится из реактора через выход отходящего газа в обогащенный водородом газовый поток. Расплавленный металл карбонизируется.

После удаления газообразного водорода к карбонизированному расплавленному металлу затем добавляется окислитель - газообразный кислород. Реакция углерода с окислителем имеет место в расплавленном металле, предпочтительно, до окисления никеля, потому что, как можно видеть из фиг.2, свободная энергия окисления углерода (кривая 1) ниже, чем никеля (кривая 4) при температуре расплавленного металла. Углерод образует смесь окиси углерода и двуокиси углерода, т.к. свободные энергии окисления с образованием двуокиси углерода (кривая 3) и с образованием окиси углерода (кривая 1) меньше, чем свободная энергия окисления никеля. Газообразный кислород добавляется до тех пор, пока углерод, в основном, не будет израсходован в карбонизированном расплавленном металле. Газообразные окислы углерода отделяются от расплавленного металла через выход отходящего газа и направляются затем в сборник окислов углерода (не показано) или выпускаются в атмосферу.