Настоящее изобретение относится к способу утилизации отходов в ванне расплава и к устройству для его осуществления.
Изобретение относится к способу и устройству для утилизации отходов.
Способ включает направление исходной реакционной смеси в реактор, внутри которого имеется ванна расплава, температура которой достаточна для того, чтобы подвергнуть химической реакции, по меньшей мере, часть исходной реакционной смеси, в результате чего образуются промежуточный компонент и атомарные составляющие. Часть промежуточного компонента соединяется с отходящим газом, образованным в реакторе, и удаляется из реактора. По меньшей мере, часть промежуточного компонента отделяется от удаленного отходящего газа для получения промежуточного потока. Промежуточный поток направляется в реактор для химической реакции промежуточного компонента, возвращенного в реактор в промежуточном потоке, с целью разложения на атомарные составляющие. По меньшей мере, часть атомарных составляющих впоследствии вступает в экзотермическую реакцию с компонентами ванны расплава, тем самым тепло, полученное в результате экзотермической реакции, инициирует дополнительную химическую реакцию состава исходной реакционной смеси и (химическую реакцию) промежуточного компонента, тем самым управляя химической реакцией исходной реакционной смеси.
Устройство включает реактор и ванну расплава, содержащуюся в реакторе. В ванне расплава осуществляется химическая реакция состава исходной реакционной смеси. Соответствующие средства направляют исходную реакционную смесь в реактор при температуре, достаточной для того, чтобы вызвать химическую реакцию исходной реакционной смеси с целью образования промежуточного компонента и атомарных составляющих исходной реакционной смеси. С помощью соответствующих средств в реакторе образуется отходящий газ, который соединяется с частью промежуточного компонента и удаляется из реактора. Соответствующие средства отделяют, по меньшей мере, часть промежуточного компонента от отходящего газа, удаленного из реактора, для образования промежуточного потока. Соответствующие средства направляют указанный промежуточный поток в реактор для химической реакции промежуточного компонента, возвращенного в реактор в промежуточном потоке, для разложения его на атомарные составляющие и последующей экзотермической реакции, по меньшей мере, части атомарных составляющих с компонентами ванны расплава. Тепло, полученное путем экзотермической реакции, инициирует дополнительную химическую реакцию исходной смеси и промежуточного компонента, тем самым управляя химической реакцией исходной смеси [1]
Химическая реакция исходной смеси вызывает образование промежуточных компонентов, таких как легкие углеводороды, и атомарных составляющих. По меньшей мере, часть атомарных составляющих способна вступать в реакцию с другими компонентами ванны расплава, такими как кислород, тем самым делая возможным образование сравнительно устойчивых соединений, таких как вода и диоксид углерода. Тепло, полученное в результате экзотермической реакции атомарных составляющих, может быть достаточным для инициирования дополнительной химической реакции исходной смеси. Сравнительно быстро испаряющаяся исходная смесь может вводиться на верхнюю поверхность ванны расплава для химической реакции. Существенная часть любых промежуточных компонентов, которые быстро испаряются и удаляются из реактора с отходящим газом, возвращается в ванну расплава для химической реакции, такой как конверсия (превращение) в атомарные составляющие, и последующей экзотермической реакции атомарных составляющих с целью получения сравнительно устойчивых соединений.
Возврат промежуточных компонентов из отходящего газа в ванну расплава делает возможным более полное превращение в устойчивые соединения в устройстве, тем самым значительно уменьшая выход токсинов в атмосферу вместе с отходящим газом. Кроме того, стационарный режим реакционных систем внутри ванны расплава, таких как дегидрирование воды или реакция замены воды газом над ванной расплава, может управляться путем применения воды в качестве жидкости, используемой для промывания отходящего газа. Кроме того, промежуточные компоненты и другие компоненты отходящего газа, такие как атомарные составляющие состава исходной смеси, могут возвращаться в реактор, тем самым позволяя управлять реакциями в ванне расплава. Кроме того, возврат реакционноспособных компонентов сохраняет теплотворную способность исходной смеси, введенной в устройство.
Ванна расплава может содержать несмешивающиеся металлы, делающие возможным выбор сочетаний металлов в соответствии с относительной растворимостью и свободными энергиями окисления, тем самым можно управлять реакцией реакционноспособных компонентов для получения сравнительно устойчивых соединений. Химические, тепловые энергии и энергии масс могут передаваться внутри ванны расплава для создания физико-химических условий, которые могут привести к образованию термодинамически устойчивых соединений при параметрах, определяемых каждой фазой многофазной ванны расплава.
Высокая растворимость получающихся в результате соединений в отдельных фазах многофазной реакционной системы делает возможным улавливание значительных количеств этих соединений соответствующими фазами. Многие из полученных соединений могут удаляться или путем введения внутрь стекловидного невыщелачиваемого кристаллографического связующего материала стекловидного слоя, расположенного над расплавленным металлов. Тем самым можно еще более уменьшить выбросы примесных газов вредных соединений.
Чертеж представляет собой схематическое изображение одного варианта исполнения устройства по изобретению.
В одном варианте исполнения изобретения, показанном на рисунке, устройство 10 содержит реактор 12. Примерами подходящих конвертерных груш могут служить конвертеры для комбинированного процесса К-БОП (вдувание через фурмы "труба в трубе" кислорода с порошкообразной известью, углеводородов, азота и аргона), конвертеры для процесса Ку-БОП (кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера), печи для аргокислородного обезуглероживания (AOД), электродуговые печи (EAF) и т.д. такие как известные в данной области. Реактор 12 имеет верхнюю часть 14 и нижнюю часть 16. Входной канал 18 в верхней части 14 реактора 12 предназначен для направления исходной смеси в реактор 12. Выходной канал 22 для отходящего газа проходит от верхней части 14 и предназначен для выведения отходящего газа из реактора 12.
Фурма 28 содержит трубу для охладителя, впускную трубу 24 для окислителя и впускную трубу 35 для исходной смеси. Труба 30 для охладителя проходит от источника 34 охладителя к реактору 12. Впускная труба 24 для окислителя проходит от источника 26 окислителя к нижней части 16 реактора 12. Впускная труба 24 для окислителя расположена внутри трубы 30 для охладителя у отверстия 32 фурмы. Впускная труба 35 для исходной смеси проходит от источника 37 исходной смеси к фурме 28. Впускная труба 35 для исходной смеси расположена внутри впускной трубы 24 для окислителя у отверстия 32 фурмы. Насос 39 расположен у фурмы 28 для направления соответствующей исходной смеси из источника 37 исходной смеси и через отверстие 32 фурмы в реактор 12.
Размер и конфигурация фурмы 28 обеспечивает совместное и непрерывное введение соответствующего углеродосодержащего газа и окислителя в реактор 12. Однако нужно понимать, что охладитель и окислитель могут вводиться в реактор 12 в большей степени отдельно и/или попеременно, чем совместно и непрерывно. Также нужно понимать, что в реакторе 12 может быть расположено более одной фурмы 28, и что концентрические или многократно концентрические фурмы могут применяться для раздельного ввода в реактор 12 реагентов, таких как исходная смесь и окислитель. Например, исходная смесь может вводиться через первую двойную концентрическую фурму, которая не показана, а окислитель может вводиться раздельно через вторую концентрическую фурму, которая также не показана, в качестве альтернативы применению фурмы 28. Двойные концентрические фурмы, такие как для раздельного ввода исходной смеси и окислителя, могут быть размещены в реакторе 12 рядом или удаленно друг от друга. Кроме того, нужно понимать, что исходная смесь может вводиться в реактор 12 другими соответствующими способами, например, путем применения расходуемой трубки (фурмы) и т.д.
Труба 36 для донного выпуска металла проходит от нижней части 16 и предназначена для удаления, по меньшей мере, части ванны расплава из реактора 12. Могут быть предусмотрены дополнительные сливные трубы в качестве средства для непрерывного или периодического удаления отдельных металлических фаз. Материал также можно удалять другими способами, которые известны в данной области. Например, можно удалять материал из реактора 12 путем поворота конвертерной груши 12 и, применяя непоказанный желоб, проходящий от впускного канала 18 для исходной смеси. Альтернативно, желоб может проходить в реактор 12 через выпускное отверстие, которое также не показано.
В нижней части 16 расположена индукционная катушка 38 для нагрева реактора 12 или для инициирования образования тепла внутри реактора 12. Нужно понимать, что альтернативно реактор 12 может быть нагрет с помощью других соответствующих средств, таких как кислородно-топливные горелки, электрическая дуга и т.д. Цапфы 40 расположены на реакторе 12 с целью манипулирования реактором 12. Между реактором 12 и выходным каналом 22 для отходящего газа установлено уплотнение 42, которое предназначено для обеспечения возможности частичного поворота реактора 12 вокруг цапф 40 без разрушения уплотнения 42. Альтернативно, реактор 12 не имеет цапф 40 или уплотнения 42 и не поворачивается.
Ванна 44 расплава расположена внутри реактора 12. В одном варианте исполнения ванна 44 расплава содержит металл, имеющий свободную энергию окисления при рабочем режиме устройства 10, которая больше, чем энергия превращения атомарного углерода в монооксид углерода. В одном примере ванна 44 расплава содержит углерод в количестве в пределах между примерно 1/2 масс% и примерно 6 мас. Можно регулировать количество углерода в ванне 44 расплава, например: путем ввода в ванну 44 расплава исходной смеси, которая содержит углерод и окислитель; путем регулирования интенсивности удаления отходящего газа из ванны 44 расплава; путем регулирования параметров работы устройства 10, например, температуры; путем регулирования относительных количеств других компонентов в ванне 44 расплава; и т.д.
Примерами пригодных металлов для образования ванны 44 расплава служат железо, хром, марганец, медь, никель, кобальт и др. Нужно понимать, что ванна 44 расплава может содержать более одного металла. Например, ванна 44 расплава может содержать раствор металлов. Кроме того, нужно понимать, что ванна 44 расплава может содержать оксиды расплавленных металлов. Ванна 44 расплава может содержать более одной фазы расплавленного металла. В одном варианте исполнения ванна 44 расплава образована из стеклофазы, которая содержит, по меньшей мере, один оксид металла и не содержит фазы расплавленного металла. В другом варианте исполнения стеклофаза может содержать, по меньшей мере, одну соль.
Ванна 44 расплава содержит фазу 46 первого расплавленного металла и фазу 48 второго расплавленного металла, которая, в основном, не смешивается с фазой 46 первого расплавленного металла. Как фаза 46 первого расплавленного металла, так и фаза 48 второго расплавленного металла могут содержать растворы металлов. Растворимость атомарного углерода в фазе 48 второго расплавленного металла может быть значительно меньше, чем в фазе 46 первого расплавленного металла.
Фаза 46 первого расплавленного металла имеет свободную энергию окисления, которая при рабочем режиме устройства 10 больше, чем энергия окисления атомарного углерода для получения монооксида углерода. Фаза 48 второго расплавленного металла имеет свободную энергию окисления, которая при рабочем режиме устройства 10 больше, чем энергия окисления монооксида углерода для получения диоксида углерода. Следовательно, окисление атомарного углерода происходит более полно, поскольку монооксид углерода, который образуется из атомарного углерода в фазе 46 первого расплавленного металла в основном превращается в диоксид углерода в фазе 48 второго расплавленного металла.
Ванна 44 расплава может быть образована путем, по меньшей мере, частичного заполнения реактора 12 соответствующим металлом. Затем металл нагревается до соответствующей температуры путем задействования индукционной катушки 38 или с помощью других средств, которые не показаны. Когда в реактор 12 вводятся два несмешивающихся металла, во время расплавления металлы отделяются друг от друга, образуя фазу 46 первого расплавленного металла и фазу 48 второго расплавленного металла. В одном варианте выполнения вязкость, по меньшей мере, одной фазы ванны 44 расплава меньше, чем примерно десять сантипуаз при рабочем режиме устройства 10. В другом варианте исполнения вязкость, по меньшей мере, одной фазы ванны 44 расплава меньше, чем примерно тридцать пуаз при рабочем режиме устройства 10.
Соответствующие параметры рабочего режима устройства 10 предусматривают температуру, достаточную для того, чтобы осуществлялась химическая реакция исходной смеси, поступающей из источника 37 исходной смеси, и тем самым образовался, по меньшей мере, один промежуточный компонент. "Промежуточный компонент", как понимается здесь этот термин, означает компоненты, которые образуются из исходной смеси, и которые могут подвергаться химической реакции, такой как превращение в атомарные составляющие, для последующей экзотермической реакции с компонентом ванны 44 расплава. Промежуточный компонент может представлять собой, например, органическое соединение или неорганическое соединение. В одном варианте исполнения параметры рабочего режима ванны 44 расплава предусматривают температуру, достаточную для того, чтобы свободная энергия окисления металла в ванне расплава стала больше, чем энергия превращения атомарного углерода в монооксид углерода. Температура ванны 44 расплава также достаточна для того, чтобы с помощью ванны 44 расплава вызвать превращение углерода в промежуточном компоненте в атомарный углерод.
Стекловидный слой 50 расположен над ванной 44 расплава. Стекловидный слой 50, в основном, не смешивается (не смешивающийся) с ванной 44 расплава. Альтернативно, устройство 10 не имеет стекловидного слоя 50. Стекловидный слой 50 содержит, по меньшей мере, один оксид металла, металлический элемент которого имеет свободную энергию окисления, которая при рабочем режиме устройства 18 меньше, чем сводная энергия окисления атомарного углерода до моноксида углерода.
Растворимость углерода или моноксида углерода в стекловидном слое 50 может быть меньше, чем растворимость их в ванне 44 расплава, что является причиной удерживания атомарного углерода и моноксида углерода внутри ванны 44 расплава. В другом варианте исполнения стекловидный слой 50 имеет меньшую теплопроводность, чем теплопроводность ванны 44 расплава. Тем самым потери тепла на излучение из ванны 44 расплава могут быть уменьшены до значений, существенно меньших, чем потери тепла на излучение из ванны 44 расплава при отсутствии стекловидного слоя 50.
В качестве примеров пригодных оксидов металлов для стекловидного слоя 50 могут служить оксид титана (TiO2), оксид циркония (ZrO2), оксид алюминия (Al2O3), оксид магния (MgO), оксид кальция (CaO), кремнезем (SiO2), и т.д. Другие примеры подходящих компонентов стекловидного слоя 50 включают галогены, серу, фосфор, тяжелые металлы и т.д. Нужно понимать, что стекловидный слой 50 может содержать более одного оксида металла. Стекловидный слой 50 может содержать более одной фазы. Как правило, стекловидный слой 50, в основном, жидкий, и свободные радикалы и другие газы могут проходить из ванны 44 расплава через стекловидный слой 50.
Стекловидный слой 50 может быть образован путем ввода соответствующих материалов, таких как металлы, оксиды металлов, галогены, сера, фосфор, тяжелые металлы, шламы и т.д. из источника 52 через впускную трубу 54 и внутрь ванны 44 расплава. Неорганические компоненты исходной смеси 20 также могут быть включены в стекловидный слой 50. Материалы из источника 52 могут направляться на верхнюю часть ванны 44 расплава или вводиться в ванну 44 расплава, используя те способы, которые хорошо известны в данной области. Материалы могут образовывать другие устойчивые соединения при рабочем режиме устройства 10 путем реакции, например, с катионами щелочных металлов или катионами щелочно-земельных металлов. Примерами таких устойчивых продуктов реакций служат фторид кальция (CaF2) и фосфат магния (Mg(PO4)2). В одном варианте исполнения стекловидный слой 50 содержит около сорока процентов оксида кальция, около сорока процентов диоксида кремния и около двадцати процентов оксида алюминия и имеет толщину около пяти дюймов.
Исходная смесь в твердом или жидком виде направляется из источника 37 исходной смеси в реактор 12. Исходная смесь может вводиться в реактор через трубопровод 35, трубопровод 51 и/или трубопровод 53. Как правило, исходная смесь включает органические соединения, такие как алкены, алкины и т.д. Альтернативно, исходная смесь может направляться в реактор 12 через впускной канал 18, в виде целых изделий, таких как бумажные изделия, лесоматериалы, шины, уголь и т.д. Нужно понимать, что смеси из неорганических веществ также могут использоваться в качестве исходной смеси для ввода в химической реакции в устройстве 10. Примерами соответствующих неорганических исходных смесей служат металлы и их оксиды, сульфиды и галоиды, но ими неорганические смеси не ограничиваются. Помимо углерода исходная смесь может включать и другие атомарные составляющие, такие как водород, галоиды, металлы и т.д.
Исходная смесь, направленная в реактор 12, соединяется с ванной 44 расплава и может также соединяться со стекловидным слоем 50. Контакт исходной смеси с ванной 44 расплава или стекловидным слоем 50 подвергает исходную смесь воздействию таких условий, которые достаточны для того, чтобы, по меньшей мере, часть компонентов в исходной смеси вступила в химическую реакцию. Химическая реакция исходной смеси вызывает образование, по меньшей мере, одного промежуточного компонента.
Исходная смесь, окислитель и охладитель направляются в ванну 44 расплава через фурму 28. Исходная смесь также может направляться в реактор 16 из источника 37 исходной смеси через трубопровод 51. Исходная смесь подается по трубопроводу 51 на поверхность стекловидного слоя 50. Альтернативно, трубопровод 51 может проходить внутрь ванны 44 расплава для подачи исходной смеси в точке ниже поверхности ванны 44 расплава. Исходная смесь пригодна для химической реакции в ванне 44 расплава для образования атомарных составляющих и, по меньшей мере, одного промежуточного компонента. В одном варианте исполнения, по меньшей мере, одно из атомарных составляющих, полученных из исходной смеси, способно вступать в экзотермическую реакцию с компонентом ванны 44 расплава. Например, атомарные составляющие могут вступать в реакцию с окислителем, введенным в ванну 44 расплава через фурму 28.
Часть окислителя, направленного в ванну 44 расплава, также может вступать в реакцию с атомарным углеродом и другими реакционноспособными компонентами для образования моноксида углерода и диоксида углерода, которые, в основном, устойчивы при рабочем режиме устройства 10. Ввод окислителя в ванну 44 расплава также может вызвать вступление, по меньшей мере, части промежуточного компонента в ванне 44 расплава в экзотермическую реакцию с окислителем для образования оксида. Как правило, стехиометрическое отношение окислителя введенного в устройство 10, к окисляемой части экзотермически реакционноспособных компонентов в ванне 44 расплав больше, чем примерно 1:1.
Охладитель, такой как соответствующий защитный (обволакивающий) газ, предназначен для охлаждения при рабочем режиме устройства 10 зоны внутри реактора 12 рядом с фурмой 28. Примерами подходящих охладителей служат газообразный азот (N2), пар, метан (CH4), хлорбензол (C6H5Cl) и т.д. В одном варианте исполнения под действием ванны 44 расплава хлорбензол превращается в радикалы углеводородов и радикалы хлора.
Над стекловидным слоем 50 формируется газовый слой 56. В одном варианте исполнения газовый слой 56 проходит от верхней части 14 реактора 12 через выпускной канал 22 для отходящего газа к скрубберу (газоочистителю) 82. Реакционная зона внутри устройства 10 включает ванну 44 расплава, стекловидный слой и газовый слой 56. Реагенты, такие как исходная смесь и окислитель, могут вводиться в любое место внутри реакционной зоны. Газовый слой 56 содержит отходящий газ, образованный в ванне 44 расплава и в стекловидном слое 50. Отходящий газ образуется путем окисления углеродсодержащего (углеродистого) газа и содержит продукты реакций, такие как водород, водяной пар, моноксид углерода и диоксид углерода. Отходящий газ также содержит, по меньшей мере, один промежуточный компонент, который был захвачен или который быстро испарился до его разложения на атомарные составляющие внутри ванны 44 расплава. Однако нужно понимать, что условия в газовом слое 56 могут обеспечить возможность образования, по меньшей мере, одного промежуточного компонента в газовом слое 56.
В одном варианте исполнения газовый слой 56 содержит окислитель, такой как кислород, направленный в верхнюю часть 14 из источника 26 окислителя через вторую впускную трубу 57 для окислителя. Атомарные составляющие, образованные в ванне 44 расплава и в стекловидном слое 50, вступают в газовом слое 56 в реакцию с окислителем или с другими материалами, такими как органические или неорганические соединения, проходящими через газовый слой 56. Углеродсодержащие газы, образованные внутри ванны 44 расплава, такие как моноксид углерода (угарный газ) и диоксид углерода (углекислый газ), перемещаются из ванны 44 расплава в виде газовых пузырьков. Ввод окислителя в реактор 12 через вторую впускную трубу 57 для окислителя проводится с интенсивностью, достаточной для поддержания парциального давления окислителя в реакторе 12 расплавленного металла, которое делает возможным окисление существенной части атомарного углерода в ванне 44 расплава.
Значительная часть реакции внутри реактора 12 происходит в пределах реакционной зоны. В результате экзотермической реакции атомарных составляющих, образованных из исходной смеси, такой как образование моноксида углерода и диоксида углерода путем реакции атомарного углерода и диоксида углерода с окислителем, и других экзотермических реакций, в результате которых образуются неорганические соединения, такие как фторид кальция, выделяется тепло для химической реакции исходной смеси и ее компонентов в реакционной зоне.
Тепло, выделяемое при экзотермической реакции в реакционной зоне, может также выноситься из устройства 10. В одном варианте исполнения тепло подводится из нижней части 16 к катушке 58. Катушка 58 покрыта изоляцией 60 и содержит соответствующую теплопередающую среду, такую как вода или жидкий металл. Теплопередающая среда циркулирует через катушку 58, чтобы посредством этого передать тепло из ванны 44, расплава устройству 62 для выработки электроэнергии. Примером соответствующего устройства для выработки электроэнергии служит паровая турбина.
Отходящий газ, образованный в реакторе 12, подводится из реакционной зоны через выпускной канал 22 для отходящего газа к теплообменнику 64. В качестве теплообменника 64 можно использовать любой теплообменник, пригодный для охлаждения отходящего газа, выходящего из реактора 12. Примерами подходящих теплообменников служат водоохлаждаемые (кожухи), кожухо-трубные теплообменники и т.д.
Отходящий газ подводится в теплообменник 64 через впускное отверстие 66 теплообменника для отходящего газа и затем через выпускное отверстие 68 теплообменника для отходящего газа. Отходящий газ охлаждается в теплообменнике 64 путем пропускания отходящего газа через полость 70 для отходящего газа теплообменника 64 и путем направления соответствующего холодоносителя через полость 72 холодоносителя теплообменника 64. Примерами пригодных холодоносителей могут служить, например, вода, этиленгликоль, этиленбензол, спирты и т.д.
Холодоноситель направляется из источника 74 холодоносителя через впускное отверстие 76 для холодоносителя теплообменника 64 с помощью соответствующего средства, например, путем использования насоса 78, расположенного между источника 74 холодоносителя и теплообменником 64. Холодоноситель направляется через полость 72 холодоносителя теплообменника 64, тем самым охлаждая отходящий газ, а затем направляется из теплообменника 64 через выпускное отверстие 80 для холодоносителя. Холодоноситель пропускается через теплообменник с интенсивностью, достаточной для охлаждения отходящего газа до температуры, обеспечивающей последующее образование жидкой смеси из охлажденного отходящего газа. В одном варианте исполнения отходящий газ охлаждается до температуры ниже примерно 500oC. В другом варианте исполнения, когда присутствуют полиароматические соединения с большой молекулярной массой, имеющие молекулярную массу в пределах от примерно ста до тысячи, отходящий газ охлаждается до температуры ниже примерно 200oC.
Отходящий газ направляется из выпускного отверстия 68 для отходящего газа теплообменника к соответствующему сепарирующему устройству, в котором отходящий газ подвергается воздействию параметров, достаточных для удаления, по меньшей мере, части промежуточного компонента из отходящего газа. В одном примере исполнения сепарирующее устройство представляет собой скруббер (газоочиститель) 82. В качестве скрубберов, пригодных для использования в устройстве 10, используется, например (мокрый) скруббер Вентури и т.д. Отходящий газ направляется через впускное отверстие 84 скруббера для отходящего газа и затем через скруббер 82 к выпускному отверстию 86 скруббера для отходящего газа.
Промывающая жидкость 88 направляется из источника 90 промывающей жидкости к скрубберу 82 с помощью соответствующего средства, как например, под действием силы тяжести или с помощью непоказанного насоса. Промывающей жидкостью может быть любая жидкость, пригодная для контакта с отходящим газом, чтобы посредством этого вызвать нахватывание промывающей жидкостью 88, по меньшей мере, одного промежуточного компонента газа, который должен быть возвращен в ванну 44 расплава. Примерами пригодных промывающих жидкостей служат вода, органические растворители и т.д. Нужно понимать что промывающая жидкость 88 может содержать смеси или растворы, например, растворы из различных органических растворителей, воды и одного или более органических растворителей; или жидкости и твердого вещества и т.д. Примерами твердых веществ, которые можно ввести в промывающую жидкость, являются, например, углеродсодержащие отходы, которые необходимо превратить в атомарный углерод и затем окислить для образования моноксида углерода и диоксида углерода в ванне 44 расплава.
Промывающая жидкость 88 вводится в скруббер 82 при температуре, обеспечивающей удаление, по меньшей мере, части промежуточного компонента из отходящего газа. В одном варианте исполнения промывающая жидкость 88 находится при температуре ниже примерно 50oC. В другом варианте исполнения, как например, в тех случаях, когда применяются промывающие жидкости с высокой температурой кипения, имеющие температуру кипения при атмосферном давлении больше примерно 100oC, температура промывающей жидкости 88 ниже примерно 150oC. Альтернативно, скруббер 82 и промывающая жидкость 88 могут обеспечивать достаточное охлаждение без дополнительного охлаждения отходящего газа и промежуточного компонента с помощью теплообменника 64.
Нужно понимать, что можно применить дополнительное сепарирующее устройство для отделения компонентов от отходящего газа, выходящего из реактора 12. Например, между теплообменником 64 и скруббером 82 могут быть расположены соответствующий циклонный сепаратор, который не показан, и соответствующая распылительная сушилка, которая также не показана. Циклонный сепаратор, может использоваться для отделения части пыли от отходящего газа. Распылительная сушилка может использоваться для отделения, например, галоидов от отходящего газа. Кроме того, перед выпуском в атмосферу отходящий газ, выходящий из скруббера 82, может быть очищен. Например, отходящий газ может пропускаться через соответствующий электростатический осадитель (электрофильтр), который не показан, для отделения заряженных частиц в отходящем газе. Затем для удаления остающихся макрочастиц отходящий газ пропускается через соответствующий пылеуловитель с тканевыми фильтрами или фильтр, использующий активированный уголь, который также не показан.
Жидкая смесь 92 образуется путем мокрой очистки отходящего газа промывающей жидкостью 88. Жидкая смесь 92 направляется от скруббера 82 к реактору 12. В одном варианте исполнения жидкая смесь нагнетается насосом 96 через систему трубопроводов 94 к впускной трубе 35 для исходной смеси. Примерами соответствующих насосов служат центробежный насос, поршневой насос и т.д. Тем самым жидкая смесь 92 соединяется с исходной смесью для ввода в ванну 44 расплава через фурму 28. В другом варианте исполнения жидкая смесь 92 направляется через систему трубопроводов 97 с помощью насоса 99 к трубопроводу 51. Тем самым жидкая смесь 92 соединяется с исходной смесью для ввода в реактор 12 и на ванну 44 расплава. Нужно понимать, что в том варианте исполнения, при котором трубопровод 51 проходит внутрь ванны 44 расплава ниже ее поверхности, жидкая смесь 92 в трубопроводе 51 будет направляться внутрь ванны 44 расплава.
Тем самым промежуточный компонент возвращается в жидкой смеси 92 из отходящего газа в ванну 44 расплава. Значительная часть промежуточной смеси затем подвергается химической реакции (разложения) на ее атомарные составляющие для последующей экзотермической реакции атомарных составляющих с окислителем или другими компонентами ванны 44 расплава, чтобы образовать соединения, которые, в основном, устойчивы при рабочем режиме устройства 10. Посредством этого осуществляется управление химической реакцией промежуточного компонента в устройстве 10.
Промежуточный компонент может выборочно удаляться из отходящего газа путем применения соответствующей промывающей жидкости 88. Например, промывающая жидкость 88 может содержать органический растворитель для выборочного улавливания промежуточных соединений со сравнительно высокой молекулярной массой, таких как светлые нефтепродукты (например, содержащие более трех атомов углерода в молекуле), из отходящего газа, если светлые нефтепродукты улетучились во время химической реакции твердых углеродистых материалов, таких как уголь, в ванне 44 расплава. Промывающая жидкость 88 и светлый нефтепродукт образуют жидкую смесь, которая нагнетается в нижнюю часть 16 реактора 12. Альтернативно, промывающая жидкость в жидкой смеси может подвергнуться концентрированию с помощью соответствующего способа перед направлением ее в реактор 12. Одним примером соответствующего способа концентрирования жидкой смеси служит способ, при котором жидкая смесь подвергается воздействию условий, достаточных для быстрого испарения значительной части промывающей жидкости. Затем концентрированная жидкая смесь направляется в реактор 12.
Затем органический растворитель и светлый нефтепродукт вступают в химическую реакцию для образования их соответствующих атомарных составляющих. После этого атомарные составляющие, такие как атомарный углерод, в основном, окисляются для образования более устойчивых продуктов реакции, таких как моноксид углерода и диоксид углерода. Моноксид углерода и диоксид углерода образуют пузырьки, которые выходят из ванны 44 расплава в газовый слой 65 в виде отходящего газа, который выводится из устройства 10 через теплообменник 64 и скруббер 82. Другие углеродистые соединения (например, содержащие три атома углерода в молекуле и меньше), образованные из твердого углеродистого материала, могут образовывать газообразное синтетическое топливо, которое выводится из устройства 10.
Альтернативно, по меньшей мере, часть жидкой смеси 92 может быть направлена из скруббера 82 с помощью насоса 100 через трубопровод 94 и трубопровод 101 в реактор 102. Реактор 102 имеет расположенную внутри него ванну 104 расплава. В одном варианте исполнения ванна 104 расплава содержит, по меньшей мере, одну фазу расплавленного металла, пригодную для обеспечения возможности химической реакции промежуточного компонента, такой как превращение промежуточного компонента в его атомарные составляющие и последующее окисление атомарных составляющих, при рабочем режиме устройства 10. Примерами металлов, пригодных для образования фазы расплавленного металла, служат металлы, которые пригодны для образования ванны 44 расплава. В одном варианте исполнения ванна 104 расплава содержит тот же состав, что и ванна 44 расплава, и имеет температуру, достаточную для того, чтобы химической реакции подверглась, по меньшей мере, часть промежуточного компонента, тем самым, по меньшей мере, часть промежуточного компонента превращается в атомарные составляющие, и впоследствии, по меньшей мере, часть атомарных составляющих вступает в реакцию с компонентом ванны 104 расплава, тем самым осуществляется управление химической реакцией исходной смеси. Реакция между атомарными составляющими и компонентом ванны 104 расплава может быть экзотермической или эндотермической.
Жидкая смесь 92 направляется в реактор 102 с помощью соответствующего способа и средств, как например, с помощью соответствующего способа и средств, которые могут использоваться для направления исходной смеси и жидкой смеси 92 в реактор 12. Как правило, исходная смесь и жидкая смесь вводятся под давлением в ванну расплава 104 через не показанную фурму в ванне 104 расплава. Окислитель направляется в ванну 104 расплава из источника 26 окислителя через трубопровод 106 и не показанную фурму. Охладитель направляется из источника 34 охладителя через трубопровод 108 для ввода под давлением в ванну 104 расплава вместе с исходной смесью и окислителем через их соответствующие фурмы.
Альтернативно, отходящий газ, образованный в реакторе 12, направляется из теплообменника 64 к реактору 102 без предварительного пропускания через скруббер 82. Например, отходящий газ может подводиться к реактору 102 по магистрали 110, проходящей между теплообменником 64 и реактором 102. Отходящий газ также может направляться к реактору 102, через турбину 111 на магистрали 110 для сброса давления отходящего газа.
Над ванной 104 расплава образуется отходящий газ. Отходящий газ может содержать продукты экзотермической реакции в ванне 104 расплава, органические и неорганические радикалы и промежуточные компоненты. Отходящий газ направляется к скрубберу 82 по магистрали 112. Нужно понимать, что отходящий газ может направляться в реакционную зону, связанную с реактором 12 и выпускным каналом 22 для отходящего газа. Существует также возможность очистки отходящего газа с помощью других соответствующих средств для регенерации компонентов отходящего газа и последующего выпуска в атмосферу. В одном варианте исполнения отходящий газ может направляться в другие теплообменники и скруббер, которые не показаны, для удаления компонентов из отходящего газа и ввода удаленных компонентов в другой реактор, который также не показан.
В следующем примере исполнения изобретения исходная смесь содержит городские отходы, такие как изношенные автомобильные шины. Городской мусор вступает в химическую реакцию и поглощается стекловидным слоем 50 и ванной 44 расплава, в которых часть промежуточных компонентов превращается в атомарный углерод. Часть промежуточных компонентов может улетучиваться в реактор 12 или захватываться отходящим газом до завершения превращения в атомарный углерод. Окислитель вводится для того, чтобы, по меньшей мере, частично окислить атомарный углерод для образования углеродсодержащих газов, таких как состоящий из моноксида углерода газ (угарный газ) и углекислый газ. Неорганические реакционноспособные компоненты, включая токсины, и другие реакционноспособные соединения, такие как соединения серы, также могут улетучиваться или захватываться в виде макрочастиц в отходящем газе.
Реакционноспособные компоненты отходящего газа, как например, неорганические соединения, могут захватываться промывающей жидкостью 88 для образования жидкой смеси 92, которая направляется из скруббера 82 в реактор 12. Промывающая жидкость 88 может содержать полярные и неполярные среды для выборочного захватывания органических и/или неорганических веществ, которые направляются в ванну 44 расплава и могут быть захвачены стекловидным слоем 50. Металлы из городских отходов могут поглощаться ванной 44 расплава. Оксиды металлов из городских отходов могут удерживаться стекловидным слоем 50. Токсины из отходящего газа возвращаются в ванну 44 расплава в жидкой смеси 92 перед удалением отходящего газа из устройства 10.
В еще одном примере исполнения изобретения исходная смесь содержит цилиндрические контейнеры с летучими токсическими органическими соединениями, которые вводятся в реактор 12 через впускной канал 18 для исходной смеси. Контейнеры и их содержимое подвергаются химической реакции в ванне 44 расплава и в стекловидном слое 50. По меньшей мере, часть органических соединений из органических отходов улетучивается и затем направляется вместе с отходящим газом в скруббер 82 для конденсации с помощью промывающей жидкости 88. Тем самым быстро испарившиеся токсичные органические соединения удаляются из отходящего газа перед выпуском отходящего газа из устройства 10 и возвращаются в жидкой смеси 92 в ванну 44 расплава для последующей химической реакции углеродсодержащей исходной смеси и для экзотермической реакции образующегося в результате атомарного углерода с окислителем с целью получения моноксида углерода и диоксида углерода.
Помимо атомарного углерода также могут образовываться составляющие других промежуточных компонентов углеродсодержащего газа. Эти другие составляющие могут, по меньшей мере, частично растворяться в ванне 44 расплава или в стекловидном слое 50. Относительное количество каждого атомарного составляющего, растворенного в ванне 44 расплава и стекловидном слое 50, зависит от их относительной растворимости. Составляющие могут вступать в экзотермическую реакцию с другими промежуточными компонентами в ванне 44 расплава и стекловидном слое 50, чтобы тем самым получать тепло и образовывать продукты реакций, которые при рабочем режиме устройства 10 устойчивы. Кроме того, свободные радикалы, включая тройной моноксид углерода, могут способствовать образованию других свободных радикалов из исходной смеси или теплопоглощающего газа.
Альтернативно, могут образовываться другие составляющие, которые, в отличие от атомарного углерода, в основном, не растворимы в ванне 44 расплава и в стекловидном слое 50. Такие составляющие перемещаются внутри ванны 44 расплава и стекловидного слоя 50 к газовому слою 56 над стекловидным слоем 50. Окислитель, введенный в газовый слой 56 через вторую впускную трубу 57 для окислителя, контактирует с составляющими и может, по меньшей мере, частично окислить составляющие для образования газообразных оксидов. Газообразные оксиды удаляются из реактора 12 расплавленного металла через выпускной канал 22 для отходящего газа. Эти газообразные оксиды могут выборочно удаляться из отходящего газа в скруббер 82 для возврата с жидкой смесью 92 в ванну 44 расплава или в стекловидный слой 50 для химической реакции или локализации в ванне 44 расплава или в стекловидном слое 50.
Реактор 12 выполнен из соответствующего материала, такого как материалы, которые известны в данной области. Теплообменник 64 выполнен из соответствующего материала, стойкого к коррозии и температурному напряжению при температуре отходящего газа. Температура отходящего газа, выходящего из реактора 12 расплавленного металла, составляет, как правило, около 1500oC. Скруббер 82 выполняется из материала, стойкого к агрессивному воздействию отходящего газа или промывающей жидкости при условиях эксплуатации.
Описывается способ утилизации отходов и устройство для его осуществления. Исходную реакционную смесь направляют в реактор, содержащий ванну расплава, чтобы исходная реакционная смесь, по меньшей мере, частично подверглась химической реакции для образования промежуточного компонента. Часть промежуточного компонента соединяют с отходящим газом, который выходит из ванны расплава. Затем, по меньшей мере, часть промежуточного (компонента) отделяют от отходящего газа и возвращают в ванну расплава. После этого возвращенный промежуточный компонент, в основном, превращается в его атомарные составляющие. Атомарные составляющие впоследствии вступают в экзотермическую реакцию с компонентами ванны расплава для реакции с целью образования соединений, которые, в основном, устойчивы при рабочем режиме устройства, тем самым обеспечивая возможность управления химической реакцией исходной реакционной смеси. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.
| US, патент, 4574714, кл | |||
| Прибор, автоматически записывающий пройденный путь | 1920 |
|
SU110A1 |
