СПОСОБ НЕПРЯМОГО ХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТА ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК C22B5/00 C22B5/04 C22B7/00 

Изобретение относится к способу непрямого химического восстановления компонента отходов. Утилизация вредных отходов становится все более возрастающей проблемой. Наличие пригодного пространства для захоронения таких отходов все уменьшается. Также загрязнение окружающей среды обычными способами утилизации, например, сжиганием и сбрасыванием в отвалы, все увеличивается. Например металлы, такие как свинец, которые часто присутствуют в опасных отходах, не разлагаются. Выпуск опасных отходов в окружающую среду в виде газов и пыли, например, зольной пыли, часто загрязняет водные источники и атмосферу, в результате чего ухудшается качество жизни населения. Эти проблемы вместе с усиливающейся осведомленностью о натиске экологических проблем приводит не только к пониманию увеличения проблем утилизации отходов, но и к осознанию надвигающейся угрозы, связанной с огромными объемами материалов отходов, создающихся при сжигании и озолении всех видов отходов. Озоленение в основном является результатом неполного сгорания вследствие неэффективной комбинации с кислородом и присутствия негорючих неорганических солей и металлов. Полученные в результате озоления остатки превышают обычно 25% от первоначальной массы материалов отходов, а часто превышают и 70%. Поскольку баланс массы необходимо поддерживать, за исключением потерь массы из-за воды, азота и связанных газов, комбинация углеродистых материалов с кислородом, приводящая к получению двуокиси углерода, реально увеличивает массу отходящих газов при коэффициенте порядка трех. Хотя общий процесс приводит к снижению объема и массы, концентрация негорючих ядовитых материалов неизбежно увеличивается, при этом эти материалы часто находятся в выщелачиваемых зольных остатках. Зольная пыль также представляет более реальную опасность, поскольку, как отмечено выше, насыпание отвалов не считается жизнеспособным способом утилизации. Попытки уменьшить объемы остатков за счет более полного сжигания связаны с экономическими штрафами за состояние после сжигания и потребностью в дополнительном топливе. Несмотря на эти усилия, более низкие температуры сжигания, свойственные классической методологии сжигания, однозначно связанные с температурой их остатков, являются теми характеристиками, которые еще гарантируют, что образование золы происходит обычно ниже ее точки плавления и она не спекается. Такие неспеченные отходы обычно могут выщелачиваться в природе и представляют опасность для окружающей среды, поскольку токсичные компоненты находятся в более концентрированной форме и могут легко попадать в экосистему. Кроме того, вредные потоки отходов, как, например, зольная пыль, производимая нефтесжигающими тепловыми электростанциями, содержат ценные металлы, например никель и ванадий. Попытки извлечь такие металлы из зольной пыли включают, например, плавление зольной пыли в реакторах с дуговым разрядом. Однако химическое восстановление окислов металлов в реакторах с дуговым разрядом обычно является неполным. Кроме того, из других компонентов металлсодержащих композиций, например органических компонентов, содержащих вредные отходы, во время обработки в реакторе с дуговым разрядом могут выделяться в атмосферу вредные органические вещества, как, например, диоксины. Технология прямого восстановления металлов, раскрытая в EP 0453904, включает пропускание восстановителя, например углерода, через ванну расплавленного металла, в результате чего восстанавливаются окислы металлов. Общей целью является селективное восстановление окислов, содержащихся в руде, настолько быстрое, насколько возможно снизить стоимость производства. Восстановитель обычно инжектируется на ванну расплавленного металла со скоростью и в количестве, достаточными для реагирования с окислами металлов, которые не растворяются в ванне расплавленного металла. Реакции, осуществляемые при таких гетерогенных условиях, являются очень непроизводительными и неэффективными вследствие относительно низкой частоты столкновений молекул реагента и не могут обеспечить возмещение химически восстановленных разновидностей для извлечения, в связи с чем количество восстановителя, которое вводится в ванну расплавленного металла, значительно превышает теоретически необходимое для восстановления окисла металла количество восстановителя. Скорость, с которой восстановитель вводится в ванну расплавленного металла, достаточна для того, чтобы увлечь окислы металлов прежде, чем они могут раствориться в ванне расплавленного металла и восстановиться в ней. Такое увлечение дополнительно уменьшает химическое возмещение таких возмещаемых разновидностей.

Изобретение относится к способу непрямого химического восстановления компонентов отходов.

Способ включает направление отходов, содержащих компонент, в ванну расплавленного металла. Ванна расплавленного металла содержит первый металлсодержащий восстановитель, который при рабочих условиях ванны расплава восстанавливает химически компонент композиции отходов для образования растворимого металлсодержащего промежуточного соединения. Металл металлсодержащего промежуточного соединения подвергается воздействию второго восстановителя, который при рабочих условиях ванны расплавленного металла химически восстанавливает металл со скоростью, зависящей от скорости, с которой компонент отходов направляется в ванну расплавленного металла, и достаточной для того, чтобы заставить по существу все образовавшиеся металлсодержащие промежуточные соединения растворяться в ванне расплавленного металла для последующего восстановления металлического компонента промежуточного соединения посредством непрямого восстановления компонента отходов. Это изобретение имеет много преимуществ. Например, по существу все образовавшиеся растворимые промежуточные соединения растворяются в ванне расплавленного металла. Растворимые промежуточные соединения смешиваются с вторым восстановителем в виде растворенного в ванне расплавленного металла вещества, в результате чего увеличивается эффективность столкновений частиц и эффективность теплопередачи в ванне расплавленного металла. При этих условиях этап восстановления можно термодинамически регулировать, в связи с чем он является высокоэффективным. В результате общий выход реакции значительно увеличивается в сравнении со способом с большим объемом производства, в котором беспорядочно вдувают углерод в ванну расплавленного металла. Другим отчетливым преимуществом восстановления растворенного промежуточного соединения является то, что требуется только близкое к стехиометрическому количество второго восстановителя углерода. Следовательно количество отходов газов, выделяемых ванной расплавленного металла, и последующие требования к обработке отходящих газов существенно снижаются. Также существенно снижаются объемы высокотоксичных металлов, как например, кадмия, цинка, ртути, мышьяка и химически загрязненной золы, шлама, шлака, пыли и т.п., которые либо выбрасываются в атмосферу, либо в отвалы вследствие того, что в настоящем изобретении имеются средства для отделения, химического возмещения, очистки и извлечения промышленных продуктов из загрязняющих веществ.

Чертеж является схематическим изображением системы и поперечного сечения реактора системы для осуществления способа изобретения.

Далее более подробно описаны признаки и другие подробности способа изобретения со ссылкой на приложенный чертеж и указанием на пункты формулы. Понятно, что отдельные варианты изобретения приведены только для иллюстрации изобретения и не ограничивают его. Принципиальные характеристики настоящего изобретения можно использовать в различных вариантах, не отходя от духа и сферы применения изобретения.

Изобретение, в основном, относится к способу извлечения металла из металлсодержащих отходов путем химического восстановления металла как компонента отходов в ванне расплавленного металла. Примерами пригодных структур отходов являются металлсодержащие шлаки, зола, пыль и грунт. В состав отходов может входить по крайней мере один радиоактивный компонент как, например, радиоактивный компонент, являющийся членом группы актинидов. Понятно также, что в состав отходов может входить более, чем один металлсодержащий компонент. Примеры пригодных металлсодержащих компонентов, содержащих тяжелые металлы, включают свинец, ртуть, кадмий, цинк, олово и мышьяк. Примеры пригодных металлсодержащих компонентов, содержащих благородные металлы, включают титан, ванадий, ниобий, хром, кобальт, никель, серебро и платину. Примеры других подходящих металлов включают медь и железо. В состав отходов в качестве металлсодержащего компонента могут входить, например, окислы, сульфиды, фосфиды, нитриды или галиды. Отдельные примеры пригодных металлсодержащих компонентов включают сульфид никеля (NiS), окись железа (FeO) и оксихлорид ванадия (YOCl).

В первом варианте в состав отходов входит первый металлсодержащий компонент, который может быть восстановлен первым восстановителем в ванне расплавленного металла для образования промежуточного соединения. Необязательно состав отходов может включать органические компоненты, которые могут диссоциировать в ванне расплавленного металла на его атомные составляющие. Первоначальное тепловое воздействие органических соединений на рабочую среду реакционной зоны вызывает разрыв связей или их дробление, что переводит вещества в более окисляемую (разрыв оболочки) форму. Примерами подходящих составов отходов являются смешанные отходы, которые содержат различные полимерные материалы, полученные в результате производства печатных плат, смешанные отходы, которые содержат никелевые лиганды и различные органические составляющие, и ванадиевые и/или молибденовые катализаторы, применяющиеся при эпоксидировании алкенов.

Представленная на чертеже система 10 является одним из вариантов системы, пригодной для осуществления способа изобретения. Система 1- включает реактор 12. Подходящими сосудами могут быть K-BOP, G-BOP, аргоно-кислородные печи обезуглероживания (AOD), FAF и т.п., известные, например, в сталеплавильном производстве.

Реактор 12 имеет верхний участок 14 и нижний участок 16. Для направления отходов в реактор 12 в верхней части 14 реактора 12 расположен входной патрубок для ввода отходов 18. Из верхней части 14 расположен патрубок для выпуска отходящих газов 20 из реактора 12. В нижней части 16 реактора 12 расположены фурмы для подачи отходов 22, которые имеют трубу для ввода защитного газа 24 и впускную трубу для ввода отходов 26. Выходные отверстия 28 фурм для ввода отходов 22 расположены в нижней части 16 реактора 12. Труба для ввода защитного газа 24 проходит от трубопровода защитного газа 29 к выходному отверстию 28 фурмы для ввода отходов реактора 12. Трубопровод защитного газа 29 проходит от источника защитного газа 30 к трубе для ввода защитного газа 24. Впускная труба для ввода отходов 26 проходит от трубопровода источника отходов 27 к выходному отверстию 28 фурмы для ввода отходов реактора 12. Трубопровод источника отходов 27 проходит от источника отходов 32 к впускной трубе для ввода отходов 26. Впускная труба для ввода отходов 26 расположена внутри трубы для ввода защитного газа 24 до выходного отверстия 28 фурмы для ввода отходов. На трубопроводе источника отходов 27 расположен насос 34 для подачи подходящих отходов из источника отходов 32 через выходное отверстие 28 фурмы для ввода отходов в реактор 12. Фурмы для ввода отходов 22 имеют размеры и конфигурацию, обеспечивающие непрерывную подачу или введение соответствующих металлсодержащих отходов, имеющих соответствующий состав, в реактор 12. Понятно однако, что отходы могут вводиться в реактор 12 прерывисто, что предпочтительнее, чем непрерывно. Также понятно, что в реакторе 12 можно расположить более, чем одну фурму для ввода отходов. Кроме того, также понятно, что отходы можно вводить в реактор 12, подавая их через трубопровод 33 от источника отходов 32, через впускной патрубок для ввода отходов 18 или любым другим подходящим способом, как, например, с применением расходуемого копья. Фурмы для ввода восстановителя 36 расположены в нижней части 16 реактора 12 в месте, удаленном от фурмы для ввода отходов 22. Фурма для ввода отходов 22 достаточно удалена от фурмы для ввода восстановителя 36 для того, чтобы по существу весь введенный в реактор 12 первый окисел металла мог быть восстановлен первым восстановителем в ванне расплавленного металла (жидкой ванне), расположенной в реакторе 12, при рабочих условиях системы 10. Фурма для ввода восстановителя 36 содержит трубу для ввода защитного газа 38 и впускную трубу для ввода восстановителя 40. Фурма для ввода восстановителя имеет выходное отверстие 42 для ввода восстановителя. Впускная труба для ввода восстановителя 40 расположена внутри трубы для ввода защитного газа 38 до выпускного отверстия 42. Понятно, что в реакторе 12 можно расположить более, чем одну фурму для ввода восстановителя. Также понятно, что фурма для ввода восстановителя 36 может иметь размеры и конфигурацию, приспособленные либо для непрерывного, либо для прерывистого введения восстановителя в ванну расплавленного металла (жидкую ванну) в реакторе 12. Труба для ввода защитного газа 38 проходит от трубопровода защитного газа 31 к выпускному отверстию 42 для выпуска восстановителя. Трубопровод защитного газа 31 проходит от источника защитного газа 30 к трубе для ввода защитного газа 38. Впускная труба для ввода восстановителя 40 проходит от трубопровода 44 к нижней части 16 реактора 12. Трубопровод 44 проходит от источника восстановителя 46 к впускной трубе для ввода восстановителя 40. На трубопроводе 44 расположен насос 48 для подачи соответствующего второго восстановителя от источника восстановителя 46 через впускную трубу для ввода восстановителя 40 в реактор 12.

От нижней части 16 реактора 12 отходит донный сливной желоб или патрубок 52, который приспособлен для удаления по крайней мере части ванны расплавленного металла из реактора 12. Могут также быть предусмотрены дополнительные донные сливные патрубки, не показанные, как средство для непрерывного или прерывистого периодического выпуска по крайней мере части ванны расплавленного металла из реактора 12. Например, материал можно выпускать из реактора 12 посредством поворота реактора 12 и использованием желоба, не показанного, проходящего от впускного патрубка для ввода отходов 18. Альтернативно желоб может проходить в реактор 12 через выпускную летку, не показанную. В нижней части 16 реактора 12 расположены индуктивно катушки 53 для нагрева ванны расплавленного металла в реакторе 12 или для инициирования генерирования тепла в реакторе 12. Понятно, что альтернативно реактор может нагреваться другими пригодными средствами, как, например, кислородными горелками, электрической дугой и т.п. Для управления и обращения с реактором 12 на нем расположены цапфы 54 и 56. Между реактором 12 и выпускным газоходом 20 расположено уплотнение 58, приспособленное для обеспечения частичного поворота реактора 12 вокруг цапф 54 и 56 без разрывания его (т.е. уплотнения 58). Альтернативно реактор 12 не имеет цапф 54 и 56 или уплотнения 58 и не поворачивается.

У выпускного газохода для отходящих газов 20 расположен теплообменник 60. Теплообменник 60 может быть любым подходящим теплообменником для охлаждения отходящих газов, выпускаемых из реактора 12. Примерами таких подходящих теплообменников могут служить водоохлаждаемые вытяжные зонты, теплообменники типа труба в трубе и т.п. В одном из вариантов теплообменник 60 является теплообменником типа труба в трубе, который включает сторону отходящих газов 62, ограниченную входным отверстием 64 и выходным отверстием 66 для впуска и выпуска отходящих газов. Теплообменник 60 также имеет охлаждающую сторону 68, которая ограничена входом охладителя 70 и выходом охладителя 72 для впуска и выпуска охладителя. Между источником охладителя 76 и входом охладителя 70 теплообменника 60 проходит трубопровод 74. Пригодный для охлаждения отходящего газа охладитель (или хладагент) размещен в источнике хладагента 76. Примером подходящего хладагента может служить вода, этиленгликоль, этилбензол, спирты и другие.

На выходе отходящих газов 66 теплообменника 60 расположен скруббер 78. Скруббер 78 приспособлен для удаления компонентов отходящего газа и образования потока, который может быть направлен в реактор 12 или утилизирован любыми другими подходящими средствами. Примером подходящего скруббера может служит скруббер щелочного типа. Скруббер 78 ограничивает вход отходящего газа 80, жидкостной вход скруббера 82, жидкостной выход скруббера 84 и выход отходящего газа 85. Между источником жидкости для скруббера 88 и жидкостным входом скруббера 82 и скруббера 78 проходит трубопровод 86. В источнике жидкости для скруббера 88 размещена жидкость для скруббера, пригодная для отделения по крайней мере одного компонента отходящего газа из последнего. Примером подходящей жидкости для скруббера может служить гидроокись натрия или едкий натр (NaOH), гидроокись кальция (Ca(OH)₂) и другие. К входному патрубку для ввода отходов 18 и впускной трубе для ввода отходов 26 фурмы 22 реактора 12 проходит трубопровод 90 от выхода скруббера 84. На трубопроводе 90 расположен насос 92 для подачи жидкости скруббера из скруббера 78 в реактор 12.

Реакционная зона в системе 10 включает ванну расплавленного металла (жидкую ванну расплава) 94, стекловидный шлаковый слой 96 и газовую фазу 98. В одном из вариантов ванна расплава металла 94 включает первый восстановитель, например металлический компонент. Первый восстановитель может химически восстановить компонент отходов, поступающих в зону расплава металла 94, вследствие того, что растворенное промежуточное соединение, образовавшееся за счет реакции металлического компонента отходов с первым восстановителем, имеет более низкую свободную энергию образования Гиббса, чем компонент. Альтернативно первый восстановитель может быть направлен в ванну расплава металла 94 в процессе химического восстановления металлического компонента отходов в ванне расплава металла 94 согласно способу настоящего изобретения. Примерами подходящих первых восстановителей, являющихся металлическими компонентами ванны расплава металла 94, могут служить железо, хром, марганец, медь, никель, кобальт и другие. Понятно, что ванна расплава металла может включать более, чем один металл. Например, ванна расплава металла 94 может содержать раствор или сплав металлов. Также понятно, что ванна расплава металла может содержать оксиды или соли, например оксиды или соли металлов ванны. Как описано в патенте США N 5177304, приведенного в данном описании для справки, ванна расплава металла может включать более, чем одну фазу расплава металла. В одном из вариантов значительный процент ванны расплава металла 94 составляют оксиды или соли. Альтернативно значительный процент ванны расплава металла составляет элементарный металл. В одном из вариантов ванна расплава металла образована по крайней мере частично заполняющим реактор металлом. Металл затем нагревают для образования ванны расплава металла индуктивными катушками или другими средствами, не показанными. Когда образована ванна расплава металла, имеющая несмешивающиеся фазы, в реактор 12 вводят два несмешивающихся металла. Металлы разделяются в процессе плавления для образования первой фазы расплава металла и второй фазы расплава металла, не смешивающейся с первой фазой расплава металла.

На ванне расплава металла 94 расположен стекловидный шлаковый слой 96. Шлаковый стекловидный слой 96 по существу не смешивается с ванной расплава металла 94 и обычно содержит по крайней мере оксид одного металла. Альтернативно система 10 не имеет шлакового стекловидного слоя. Обычно стекловидный шлаковый слой 96 имеет низкую вязкость, позволяющую летучим свободным радикалам и газам проходить из ванны расплава металла 94 через стекловидный шлаковый слой 96 в газовую фазу 98. В одном из вариантов стекловидный шлаковый слой 96 имеет более низкую теплопроводность ванны расплава металла 94. Потери на излучение от ванны расплава металла 94 в результате этого могут быть значительно снижены в сравнении с потерями тепла на излучение для ванны расплава металла при отсутствии стекловидного шлакового слоя. Понятно, что шлаковый стекловидный слой 96 может содержать более, чем оксид одного металла. Шлаковый стекловидный слой 96 также может иметь более, чем одну фазу. Шлаковый стекловидный слой 96 может быть образован за счет подачи в реактор 12 соответствующих материалов и нагревания этих материалов в реакторе 12 до температуры, достаточной для расплавления материалов. Стекловидный шлаковый слой 96 также может содержать шлак или шлам, загрязненные токсичными металлами или их окислами, или другими ценными металлами, которые пригодны для извлечения. Материалы могут подавать на верх ванны расплава металла 94 или инжектироваться в ванну расплава металла 94, используя способы, хорошо известные в сталеплавильном производстве. Примерами пригодных материалов для образования стекловидного шлакового слоя 96 могут служить окислы металлов, галогены, сера, фосфор, тяжелые металлы, шламы и т.п. Примерами пригодных окислов металлов в стекловидном шлаковом слое 96 служат оксид титана (TiO₂), оксид циркония (ZrO₂), окись алюминия (Al₂O₃), окись магния (MgO), окись кальция (CaO), окись кремния (SiO₂) и т.п. Компоненты отходов также могут содержаться в стекловидном шлаковом слое 96. В одном из вариантов стекловидный шлаковый слой 96 содержит около 40% окиси кальция, около 40% двуокиси и около 20% окиси алюминия и имеет толщину около пяти дюймов в спокойном неподвижном состоянии.

Материалы, используемые для образования стекловидного шлакового слоя 96 могут становиться компонентами стекловидного шлакового слоя 96 за счет образования других стабильных соединений посредством химической реакции, например, с катионами щелочных металлов или катионами редкоземельных металлов. Примерами таких продуктов реакции могут служить фторид кальция (CaF₂), фосфат магния (Mg₃(PO₄)₂). Дополнительными примерами могут быть сульфид кальция и стекла, содержащие летучие окиси металлов, как, например, окись свинца.

Газовый слой 98 проходит от стекловидного шлакового слоя 96 к верхней части 14 реактора 12 и через выпускной газоход отходящих газов 20 в скруббер 78. Газовый слой 98 включает отходящие газы, образующиеся в ванне расплава металла 94 и стекловидном шлаковом слое 96. Отходящие газы по крайней мере частично образованы за счет испарения и реакции компонентов отходов с образованием газов, например, моноокиси углерода и необязательно двуокиси углерода.

В ванну расплава металла 94 отходы поступают из источника отходов 32 через впускную трубу для ввода отходов 26 совместно с защитным газом, который подается из источника защитного газа 30 через трубу для ввода защитного газа 24. Защитный газ подается в ванну расплава металла 94 через фурму для ввода отходов 22 и может охлаждать область внутри ванны расплава металла, близкую к фурме для ввода отходов 22 при рабочих условиях системы 10. Примерами пригодных защитных газов могут быть газообразный азот (N₂), пар, метан (CH₄), хлорбензол (C₆H₅Cl) и другие. В одном из вариантов хлорбензол под воздействием ванны расплава металла преобразуется с образованием фрагментов углеводородных радикалов и радикалов хлора.

Понятно, что металлосодержащие отходы могут быть введены в любом месте реакционной зоны, которое достаточно удалено от того места в реакционной зоне, в котором в ванну расплава металла вводится второй восстановитель. Например, металлосодержащие отходы могут подаваться в реактор 12 через впускной патрубок для ввода отходов 18 в виде частиц.

Пригодные рабочие условия системы 10 включают температуру ванны расплава металла 94, достаточную для того, чтобы первый восстановитель в ванне расплава металла 94 химически восстанавливал металлсодержащий компонент введенных в ванну расплава металла 94 отходов с образованием в результате этого растворимого металлсодержащего промежуточного соединения. Кроме того, температура ванны расплава металла 94 должна быть достаточно для того, чтобы второй восстановитель, поданный в ванну расплава металла 94, мог химически восстановить металл растворимого промежуточного соединения со скоростью, достаточной для обеспечения растворения в ванне расплава металла 94 по существу всего образовавшегося металлосодержащего промежуточного соединения. Первый восстановитель имеет свободную энергию окисления Гиббса меньшую, чем последняя, для металлического компонента первого оксида металла. В одном из вариантов стехиометрическое соотношение металлсодержащего компонента отходов и первого восстановителя либо равно, либо больше, чем около 1:1.

Отходы, поступающие в реактор 12, соединяются с ванной расплава металла 94 и также могут соединяться со стекловидным шлаковым слоем 96. Контактирование отходов с ванной расплава металла 94 или стекловидным шлаковым слоем 96 воздействует на отходы таким образом, что первый металлосодержащий компонент отходов химически восстанавливается первым восстановителем в ванне расплава металла 94, в результате чего образуется растворенное промежуточное соединение. В одном из вариантов первый восстановитель является компонентом ванны расплава металла 94. Например, первый восстановитель может быть элементарным железом в ванне расплава железа, где ванна расплава является активной ванной (жидкой ванной). Высокое стехиометрическое соотношение металла ванны и металла металлсодержащего компонента увеличивает склонность к образованию оксида железа (FeO). Альтернативно первый восстановитель может подаваться в ванну расплава металла 94 соответствующими средствами, например, через фурмы, не показанные. В этом альтернативном варианте ванна расплава металла не реагирует с первыми окислом металла и, следовательно, является пассивной ванной.

Растворенное промежуточное соединение мигрирует через ванну расплава металла 94 от участка ванны расплава металла 94, ближайшего к фурме для ввода восстановителя 36. Растворенное промежуточное соединение может также мигрировать за счет соответствующих средств, например, перемешивания расплава металла или за счет диффузии. Ванна расплава металла 94 может перемешиваться подходящими средствами, например, введением защитного газа или подачей металлсодержащей композиции или второго восстановится в ванну расплава металла со скоростью, достаточной для создания турбулентного потока в ванне расплава металла 94. Второй восстановитель подается насосом 48 из источника восстановителя 46 через трубопровод 44 и трубу для ввода восстановителя 40 и через фурму для ввода восстановителя 36 в ванну расплава металла 94. Второй восстановитель растворяется в ванне и пригоден для химического восстановления металла растворимого промежуточного соединения в реакционной зоне. В одном из вариантов отношение стехиометрических коэффициентов к скорости подачи для второго восстановителя и для металла металлосодержащего промежуточного соединения в ванне расплава металла больше, чем около 1:1. Также скорость реакции растворенного промежуточного соединения с вторым восстановителем достаточно для того, чтобы по существу все образовавшееся промежуточное металлсодержащее соединение растворялось в ванне расплава металла 94 с последующим восстановлением металлического компонента промежуточного соединения. Примером пригодного второго восстановителя является углерод. Примерами других пригодных вторых восстановителей является бор, кремний, ферросилиций и другие.

Скорость, с которой подают второй восстановитель в ванну расплава металла 94, в сравнении со скоростью подачи металлического компонента первой металлической составляющей в ванну расплава металла 94 достаточна для химического восстановления металла растворенного промежуточного соединения со скоростью, при которой по существу все образовавшиеся промежуточное соединения растворяется в ванне расплава металла 94 с последующим восстановлением металлического компонента промежуточного соединения, в результате которого осуществляется непрямое восстановление компонента композиции отходов. В одном из вариантов скорость, с которой в ванну расплава металла подают второй восстановитель, достаточна для поддержания постоянной концентрации растворимого промежуточного соединения в ванне.

Восстановление является непрямым в связи с тем, что металлический компонент восстанавливается посредством реакции с первым восстановителем металла для образования растворенного промежуточного соединения. Металл растворенного промежуточного соединения в результате восстанавливается посредством реакции со вторым восстановителем, который восстанавливает первый восстановитель. Первый восстановитель, следовательно, свободен и доступен для непрерывного восстановления вспомогательного растворенного промежуточного соединения. Металл растворенного промежуточного соединения после восстановления вторым восстановителем может растворяться в ванне расплава металла 94. Необязательно металл можно извлекать из ванны расплава металла 94 подходящим способом. Например, может испаряться и улетучиваться за счет галогенирования металла хлором.

Когда ванна расплава металла 94 является активной ванной, компонент отходов может быть металлсодержащей примесью, содержащейся в оксидах, фосфидах, нитридах, сульфидах или галидах. Металл ванны расплавленного металла 94 реагирует с компонентом отходов с образованием металлсодержащего растворенного промежуточного соединения. В одном из вариантов, например, компонентом отходов являлся сульфид никеля, который реагировал с элементарным железом ванны расплава металла. Продукт реакции содержал растворимый сульфид железа в качестве промежуточного соединения и элементарный никель. Реагент, замещающий металл-лиганд (MLER) поступает в ванну расплава металла 94 из источника MLER 100 за счет приведения в действие насоса 102 через трубопровод 104 и фурму 106. Фурма 106 может охлаждаться защитным газом от источника защитного газа 30. Фурма 106 включает внутреннюю трубу 107 и наружную трубу 109. Трубопровод 106 присоединен к внутренней трубе 107. Защитный газ поступает из источника защитного газа 30 через трубопровод 31 и трубопровод 111 в наружную трубу 109 фурмы 106.

Примерами подходящих MLER могут служить окись кальция, окись магния и другие, MLER реагирует с растворимым промежуточным соединением в реакции обмена металла лиганда с образованием продуктов обмена лиганда (MLER's). Один из MLER's включает металл растворимого промежуточного соединения. Другие MLER по существу нерастворимы в ванне расплава металла 94 и мигрируют в стекловидный шлаковый слой 96. Второй восстановитель поступает из источника восстановителя 46 через фурму 36 в ванну расплава металла 94, где реагирует с металлом MLER, который получен из растворимого промежуточного соединения. Например, если в качестве MLER использовался оксид кальция, который реагировал с сульфидом железа (FeS), являющимся растворимым промежуточным соединением, продуктами обмена MLER должны быть окись железа (FeO) и сульфид кальция (CaS). Сульфид кальция будет мигрировать в стекловидный шлаковый слой 96. Подходящий второй восстановитель, например углерод, будет реагировать с окисью железа с образованием моноокиси углерода (CO), который будет вылетать из ванны расплава металла 94 в виде газа, и элементарного железа. Реакционная способность второго восстановителя с MLER, в данном случае с окисью железа, намного выше, чем с любым MLER (FeS или CaO). Скорость, с которой второй восстановитель восстанавливает металл продукта обмена металла лиганда, достаточна для того, чтобы по существу весь металл образовавшегося металлсодержащего промежуточного соединения восстанавливался в ванне расплава металла, в результате чего осуществляется непрямое восстановление компонента отходов.

В другом варианте настоящего изобретения в состав отходов в дополнение к металлсодержащему компоненту, который может быть восстановлен первым восстановителем, входит второй металлсодержащий компонент, который не восстанавливается в условиях ванны расплава металла ни первым, ни вторым восстановителями. В этом варианте приносимый в жертву металл может подаваться в ванну расплава металла 94 после восстановления вторым восстановителем металла растворимого промежуточного соединения. Жертвуемый металл имеет свободную энергию окисления более низкую, чем второй восстановитель, и подается в ванну расплава металла в количестве, достаточном для восстановления по крайней мере значительной части второго металлсодержащего компонента. В обстоятельствах, при которых и источник отходов 32, и источник второго восстановителя 46 имеют четко определенный состав, легко подобрать две скорости, чтобы иметь приблизительно стехиометрические составы для, по существу, полного завершения восстановления кислородсодержащей композиции металла. В противном случае становится необходимым определение по крайней мере приблизительных количеств реагирующих компонентов соответственных составов. Реагирующими компонентами являются те, которые будут подвергнуты реакции в ванне. Определение эффективных концентраций реагирующих компонентов может быть осуществлено посредством прямых и косвенных аналитических способов, хорошо известных в технике. Эти способы могут быть автоматическими или ручными в зависимости от природы источников. Можно использовать автоматические способы, которые включают накопление данных о составе от других источников, обработку этих данных в компьютере и затем направление их в общеизвестные сервомеханизмы для регулирования необходимых скоростей для того, чтобы получить приблизительно стехиометрические составы. Также важны управление изменениями состава ванны расплава металла, состава стекловидного шлакового слоя и отходящих газов. Такие аналитические измерения могут дать косвенную информацию, касающуюся связи источников отходов и восстановителя. Если, например, количество растворимого промежуточного соединения в ванне становится избыточным, скорость второго восстановителя должна быть увеличена. Аналогичным образом, если концентрация второго восстановителя (углерода или углеродсодержащего материала, например) в ванне значительно увеличилась, то либо уменьшают скорость инжектирования второго восстановителя, либо увеличивают скорость введения источника отходов. Считается, что концентрация промежуточного соединения должна быть и избыточной, если она превышает его предел растворимости в ванне металла и начинает мигрировать в шлаковый слой. Аналогичным образом концентрация второго восстановителя должна регулироваться таким образом, что концентрация его, например углерод, не должна превышать предел его растворимости в ванне. Следовательно, очень важно остаться в пределах растворимости этих реагентов в ванне и работать при несколько возможно более близким к стехиометрическому соотношении для оптимизации реакции и сведения к минимуму эмиссии отходящих газов.

Совершенно очевидно, что в течение этого процесса концентрации растворимого промежуточного соединения и второго восстановителя не должны достигать избыточных значений для осуществления корректирования. В противовес этому, очень желательно корректировать отклонения от оптимальной стехиометрии как только они будут обнаружены, при этом несколько постоянно, насколько это возможно. Изменения в материальном балансе могут производиться через разные входы в зависимости от того, какая корректировка должна быть произведена. Например, это можно делать через впускной патрубок 18, трубопровод 33, фурмы для ввода отходов 22, фурмы для ввода восстановителя 36 и другие, но не ограничиваясь ими.

Излучательная спектроскопия является высокоэффективным способом определения концентрации металла на различных входах, главным образом, когда отходы находятся в виде жидкого раствора, дисперсии, аэрозоля, псевдоожиженного порошка и т. п. Реальное время анализа является возможным, поскольку пробу можно брать через короткие промежутки времени или даже непрерывно и анализировать почти мгновенно. Использование технологии индуктивно связанной плазмы в анализе инжектируемого потока представляет особый интерес, поскольку он обеспечивает большой охват элемента (не менее 70 элементов), низкий предел обнаружения (0,1 - 100 нг/мл), одновременную многоэлементную емкость, хорошую точность (0,5-2% RSD) и широкий динамический диапазон (4-6 порядков значения величины). Подробно эта технология описана в Inductively Couple Plasma Emission on Spectroscopy, под ред. P. W. J. M. Boumans, Нью-Йорк, John Wiley & Sons.

В частности использование предложенного способа зависит от поддержания динамического равновесия между отходами и восстановителями. Настоящее изобретение принимает этот результат за счет введения специальных регулирующих механизмов для обеспечения необходимых условий процесса даже в случае, когда систематически изменяются состав и количество пропускаемых отходов.

К области применения предложенного изобретения относится использование любых регулирующих механизмов для поддержания динамического равновесия, измеряющего, прямо или косвенно накопление отходов из окислов металлов и/или восстановителей внутри сосуда. Также измерения могут быть использованы для обратной связи при управлении потока или отходов, или второго восстановителя в реактор, хотя этот пример не ограничивает применение других механизмов проведения этих измерений. Например, могут быть использованы другие измерения при прямом или каскадном регулировании. Обычно это осуществляется с помощью компьютерного регулирования, хотя и не ограничиваются этим способом. Существует множество способов измерения накопления отходов и/или восстановителей в ванне. Можно измерять его непосредственно, используя пробоотборник, например, пробоотборник Minco, соединенный с оптическим излучательным спектроскопом (OES) и устройством индуктивно связанной плазмы (ICP). Альтернативно могут быть использованы новые технологии, включающие измерения на лазерной основе. Косвенные измерения могут выполняться путем измерения соединений газовой фазы с непрерывным излучательным управлением (CEM) в соответствии с математической моделью процесса для определения величины накопления в ванне. В контексте настоящего обсуждения могут использоваться любые также способы.

Осуществление такого регулирования процесса может быть пояснено примером. Использование этого примера никоим образом не устраняет другого выполнения регулирования, использующего вышеупомянутые измерения. В этом примере предполагается, что окись никеля является оксидом металла, который подается только из источника металлических отходов 32. Первым восстановителем является железо, вторым восстановителем является углерод, при этом расход окиси никеля в ванне управляется другими факторами (например, установкой фиксированной скорости, устанавливаемой другим контуром регулирования и т.п.). Согласно чертежу содержание окиси никеля в потоке, подаваемом из источника металлических отходов 32, измеряют, используя рентгеновский флюоресцентный спектрометр 108, при этом скорость расхода потока измеряется расходомером 109. Эти измерения поступают в блок регулирования 122, который управляет в режиме заблаговременного питания скоростью расхода углерода в потоке 46, чтобы поддерживать желательное соотношение со скоростью добавления окиси никеля в потоке отходов 32. Управление обеспечивается за счет использования клапана 110 для регулирования расхода.

Этот контур заблаговременного питания быстро отвечает на изменение скорости отходов оксида никеля и может поддерживать оптимальные скорости углеродных отходов в течение короткого времени, но неадекватен для поддержания необходимых условий работы в течение длительного промежутка времени. Для обеспечения длительного периода работы при желаемых условиях из ванны, используя пробоотборник Minco 112, в копье 114 берут пробу для получения проб. Содержание окиси железа измеряют, используя OES и ICP 116. Эти измерения поступают в компьютерный регулирующий блок 118, который, когда концентрация FeO достигает неприемлемого уровня, регулирует относительный заданный параметр регулирующего блока 122 для поддержания долговременной эксплуатации при требуемых условиях. Инструментарий регулирующих блоков 118 и 122 базируется на динамической модели процесса и может быть осуществлен специалистами в этой области. Образующиеся в реакционной зоне отходящие газы могут содержать по крайней мере продукты реакции, образующиеся за счет химического восстановления второго окисла металла вторым восстановителем. Например, реакция второго окисла металла с углеродом в качестве второго восстановителя может вызвать образование газообразной моноокиси углерода. Моноокись углерода в виде газа высвобождается из ванны расплава металла 94 и проходит в шлаковый слой 98, становясь компонентом отходящих газов. Другие компоненты отходящего газа, образовавшегося в реакторе 12, могут включать газообразный водород, воду, и т.п., образовавшиеся за счет химического превращения других компонентов металлосодержащих композиций, например, органических соединений. Отходящие газы, образовавшиеся в реакторе 12, проходят из реакционной зоны через газоход для отходящих газов 20 в теплообменник 60. В теплообменнике 60 отходящие газы охлаждаются за счет пропускания их через сторону отходящих газов 62 теплообменника 60 и за счет подачи подходящего хладагента на охлаждающую сторону 68 теплообменника 60. Отходящие газы проходят в теплообменник 60 через входное отверстие для отходящих газов 64 и затем через выходное отверстие для отходящих газов 66. Хладагент подается из источника хладагента 76 через входное отверстие для хладагента 70 теплообменника 60 соответствующими средствами, например, насосом, не показанным. Хладагент подается на охлаждающую сторону 68 теплообменника 60, в результате чего охлаждаются отходящие газы, и затем выводится из теплообменника 60 через выходное отверстие для хладагента 72. Хладагент проходят через теплообменник 60 со скоростью, достаточной для охлаждения отходящего газа до температуры, обеспечивающей последующее образование жидкого состава из охлажденного отходящего газа. В одном из вариантов отходящий газ охлаждают до температуры ниже 500^oC. Из выходного отверстия для отходящего газа 66 отходящий газ поступает в скруббер 78 для того, чтобы подвергнуть отходящий газ воздействию условий, достаточных для удаления из него по крайней мере одного компонента для последующей обработки, например, возвращению в реактор 12 или для обработки во вспомогательном реакторе, не показанном. В патенте США N 5177304, приведенном в настоящем описании для справки, описаны примеры способов обработки отходящего газа, включающие разделение и обработку компонентов отходящего газа. В тех случаях, когда отходящие газы содержат летучие, легко восстанавливающиеся металлы, например, цинк, ртуть, кадмий, газы могут направляться в конденсатор и извлекаться путем конденсации. Газообразные пары металлов могут быть сконденсированы и жидкий металл и сплавы могут быть выпущены соответствующим образом, например, путем промывки. Необязательно материал, накапливающийся в конденсаторе, может быть рециклирован в реакционную зону. Нелетучие металлы могут быть выпущены в виде сплава или ферросплава из ванны железа. Моноокись углерода также может быть извлекаемым продуктом способа. Извлечение нелетучих металлов может быть особенно предпочтительным для настоящего изобретения, где основной металл отходов, первая окись металла, является тем же металлом, что и металл ванны, в результате чего обеспечивается обогащение ванны извлекаемым металлом. Например, в качестве металла ванны может использоваться медь для извлечения металлической меди из потока отходов очень богатых окислами меди. В тех случаях, когда свободная энергия образования окиси в ванне металла выше, чем у примеси металла, присутствующей в отходах, может быть более предпочтительно использовать жертвуемый металл с сильно отрицательной свободной энергией окисления относительно первой окиси металла.

Пример 1. Отработанный металлосодержащий катализатор содержит окись железа (III) (Fe₂O₃) и окись молибдена (IV) (MoO₂) в качестве первых окисей металла. Ванны расплава 94 содержит в качестве первого восстановителя железо. Металлосодержащий состав подается в ванну расплава 94 из источника отходов 32 через впускную трубу для ввода отходов 26 фурмы для отходов 22. По существу весь оксид железа и весь оксид молибдена химически восстанавливаются первым восстановителем, т.е. железом, в ванне расплава 94. Зародышевый оксид металла (FeO) расплавляется при контактировании с ванной расплава с образованием второго сольватированного оксида металла, оксида железа (II) (FeO). Расплавление по существу всего второго оксида металла в ванне расплава 94 обеспечивает восстановление загрязненного оксида до его чистого металлического состояния. Расплавленный оксид железа (II) мигрирует через ванну расплава 94 от участка ванны расплава 94, наиболее близкого к фурме для ввода отходов 22 к участку ванны расплава 94, наиболее близкому к фурме для ввода восстановителя 36.

В качестве второго восстановителя используют углерод. Углерод подают из источника восстановителя 46 через трубопровод и фурму для ввода восстановителя 36 в ванну расплава 94. Скорость введения углерода в сравнении с объединенной скоростью введения оксида железа (III) и оксида молибдена (IV) достаточна для восстановления оксида железа (II) со скоростью, обеспечивающей медленное расплавление по существу всего оксида железа (II), образующегося в результате введения дополнительного металлосодержащего состава в ванну расплава 94 для химического восстановления. Расплавленный оксид железа (II) химически восстанавливается углеродом и обогащает ванну железом и молибден в виде металла остается в ванне расплава. Полностью процесс составляет восстановительное экстрагирование нерастворимых окислов металлов и растворение или расплавление соответствующих их металлов в ванне.

Пример 2. В качестве металлсодержащего состава или композиции, включающей в качестве первых окислов металлов предназначенные для EPA токсичные металлы, обрабатывали шлам обработки отходов. Токсичные отходы содержат окислы нормальной (средней) валентности кадмия (Cd), кобальта (Co), хрома (Cr), меди (Cu), железа (Fe), калия (K), молибдена (Mo), натрия (Na), никеля (Ni), свинца (Pb), серы (S), олова (Sn), вольфрама (W) и цинка (Zn). Ванна расплава содержит в качестве первого восстановителя марганец (Mn). Металлсодержащий состав или композицию подают в ванну расплава 94 через фурму для ввода отходов 22. По существу весь первый оксид металла химически восстанавливается марганцем с образованием второго оксида металла, оксида марганца (MnO). По существу, весь оксид марганца расплавляется в ванне расплава 94. Оксид марганца мигрирует от участка ванны расплава 94, наиболее близкой к фурме для ввода отходов 22, к участку ванны расплава 94, наиболее приближенной к фурме для ввода восстановителя 36. Через фурму для ввода восстановителя 36 в ванну расплава железа 94 подают в качестве второго восстановителя углерод. В качестве второго восстановителя также могут служить бор, кремний или титан. Скорость введения углерода в сравнении с объединенной скоростью введения первых оксидов металлов замедляют для обеспечения химического восстановления промежуточной окиси марганца в ее растворенном или расплавленном виде углеродом со скоростью, при которой по существу вся образовавшаяся окись марганца гарантированно остается растворенной в ванне расплава 94. Восстановление растворенной окиси марганца углеродом возвращает марганец в его чистую элементарную форму и приводит к получению моноокиси углерода в качестве отходящего газа.

Стехиометрия марганца сравнима или превышает равновесную концентрацию первого окисла металла и концентрация углерода сравнима или больше, чем равновесная концентрация второго окисла металла. Полезная концентрация Mn и его исключительно низкая свободная энергия окисления Гиббса гарантируют, что по существу все окиси металлов отходов быстро теряют их атомы кислорода за счет передачи атомов кислорода Mn при входе в ванну расплава.

Пример 3. Металлсодержащую композицию, включающую соединения никеля, содержащие различные лиганды (L), и включающую металлический никель, никельалкилы, кислородсодержащие никелевые органометаллические комплексы и окись никеля и содержащую или единственный оксид металла, например, окись урана, или разновидности окислов металлов, имеющих свободную энергию окисления ниже, чем углерод, помещают в равновесном состоянии с по существу гомогенной ванной железа. Введенные первые окислы металлов, содержащиеся в металлосодержащей композиции, химически восстанавливаются железом с образованием второго окисла металла, окиси железа (FeO) и включением металлов, содержащихся в первых окислах металлов, в ванну расплава. По существу, вся окись железа растворяется в ванне расплава 94. Окись железа мигрирует от участка ванны расплава 94, наиболее приближенного к фурме для ввода отходов 22, к участку ванны расплава 94, наиболее приближенному к фурме для ввода восстановителя 36. Через фурму для подачи восстановителя 36 в ванну расплава 94 в качестве второго восстановителя подают углерод. Скорость введения углерода в сравнении с объединенной скоростью введения первых окислов металлов замедляют для обеспечения химического восстановления окиси железа как промежуточного соединения в ее растворенном состоянии углеродом со скоростью, при которой по существу вся образующаяся окись железа остается растворенной в ванне расплава 94. Восстановление растворенной окиси железа углеродом возвращает железо в его элементарную форму с получением моноокиси углерода в качестве отходящего газа. Обработку металлосодержащей композиции продолжают для растворения металлов первых окислов металлов в жидкой железной фазе и накопления тех окислов металлов, которые не восстанавливаются углеродом, в стекловидной шлаковой фазе.

После концентрирования невосстановленных окислов металлов, например, окиси урана, в шлаковой фазе подачу металлосодержащей композиции в ванну расплава задерживают и в ванну расплава 94 инжектируют третий восстановитель, имеющий свободную энергию окисления ниже, чем свободная энергия окисления возмещаемых окислов металлов, концентрирующихся в шлаковой фазе. Введение третьего восстановителя, следующего за введением второго восстановителя, приводит к селективному восстановлению окислов металлов, накапливающихся в шлаковой фазе. Примерами подходящих третьих восстановителей могут служить магний, алюминий, кальций и цирконий.

Пример 4. В ванну расплава железа помещают или предпочтительнее инжектируют отработанный тонко размолотый огнеупорный кирпич, содержащий окись хрома (Cr₂O₃) и высокотоксичную окись хрома (VI) (CrO₃) в качестве первого окисла металла и в качестве извлекаемых примесей из шлаковых остатков. Инжектирование осуществляют через фурму 22. Железо в качестве первого восстановителя в ванне расплава железа реагирует с окислами хрома на поверхности диспергированных шлаковых частиц или на поверхности раздела между шлаковой фазой, фазой расплава железа в ванне с образованием формы окисла железа (II) в качестве второго окисла металла и элементарного хрома. После последовательных этапов передачи атомов кислорода и окись железа (II) (FeO), и хром растворяются в ванне расплава железа. В ванну расплава железа в качестве второго восстановителя подают углерод для реагирования с окисью железа, в результате чего образуется газообразная моноокись углерода и регенерируется элементарное железо. Окислы хрома таким образом обезвреживаются и металл извлекается в виде феррохромового сплава.

Пример 5. В ванну расплава железа 94 через фурму для ввода отходов 22 подают жидкие муниципальные отбросы, содержащие тяжелые металлы и их окислы в качестве примесей (например, CdO, HgO, ZnO). Смешанные окислы металлов легко восстанавливаются до их металлического состояния расплавом железа в ванне расплава и накапливаются для извлечения. Все летучие металлы проходят через шлаковый слой и выходят из ванны расплава 94 для извлечения путем конденсации металлических паров посредством обработки отходящего газа. Часть кислорода окислов металлов превращается в моноокись углерода через посредство окиси железа (II). Источником углерода главным образом являются углеродистые материалы в шламе. Нелетучие металлы восстанавливаются и накапливаются либо в слое металла, либо в шлаковом слое в зависимости от их свободной энергии окисления Гиббса.

Пример 6. Тонко измельченные остатки кальцинации отработанного платинового катализатора вводят путем инжектирования через фурму в ванну расплава железа. Загрязненная окись платины восстанавливается железом и высококипящая металлическая платина накапливается в расплаве железа в ванне расплава. Промежуточная FeO возвращается в ее металлическое состояние при восстановлении посредством источника углерода, полученного от газообразного углеводорода, вводимого путем инжектирования в качестве защитного газа через фурму или трубу 24. Моноокись углерода и водород выходят из реактора. Металлическая платина остается в расплаве железа в ванне расплава в растворенном состоянии и может быть извлечена и очищена известным способом.

Пример 7. Отходы, в состав которых входит сульфид никеля (NiS) в качестве металлосодержащего компонента отходов, подают в ванну расплава элементарного железа (Fe). Сульфид никеля реагирует с железом в качестве первого восстановителя с образованием элементарного никеля и сульфида железа (FeS). Сульфид железа является промежуточным соединением и растворяется в расплаве железа в ванне расплава. В ванну расплава железа подают окись кальция (CaO). Между сульфидом железа и окисью кальция происходит реакция обмена металла-лиганда с образованием окиси железа (FeO) и сульфида кальция (CaS). Сульфид кальция (CaS) мигрирует в шлаковый слой. В качестве второго восстановителя в ванну расплава железа подается углерод, который реагирует с окисью железа с образованием моноокиси углерода (CO) и элементарного железа. Моноокись углерода выходит из ванны расплава железа в виде газа.

Пример 8. Фосфат никеля (Ni₃ (PO₄)₂) в качестве металлосодержащего компонента отходов подают в ванну расплава элементарного железа (Fe). Фосфат никеля реагирует с железом в качестве первого восстановителя с образованием элементарного никеля (Ni) и фосфата железа. По крайней мере часть фосфата железа в качестве промежуточного соединения растворяется в ванне расплава железа. Окись магния (MgO) подают в ванну расплава железа. Между фосфатом железа и окисью магния происходит реакция обмена металла-лиганда с образованием окиси железа (FeO) и фосфата магния (MgP₂O₈). Фосфат магния мигрирует в шлаковый слой. В ванну расплава железа подают в качестве второго восстановителя углерод (C), который реагирует с окисью железа с образованием моноокиси углерода и элементарного железа. Моноокись железа (CO) выходит из ванны расплава железа в виде газа.

Пример 9. Отходы, в состав которых входит хлорид никеля в качестве металлсодержащего компонента (NiCl₂), подают в ванну расплава элементарного железа (Fe). Хлорид никеля реагирует с железом в качестве первого восстановителя с образованием элементарного никеля (Ni) и хлорида железа (FeCl₂). Хлорид железа является промежуточным соединением и растворяется в ванне расплава железа. В ванну расплава железа подают окись магния (MgO). Между хлоридом железа и окисью магния происходит реакция обмена металлом - лигандом с образованием окиси железа (FeO) и хлорида магния (MgCl₂). Хлорид магния улетучивается и захватывается в шлаковом слое. В качестве второго восстановителя в ванну расплава железа подают углерод (C), который реагирует с окисью железа с образованием моноокиси углерода (CO) и элементарного железа. Моноокись углерода выходит из ванны расплава железа в виде газа.

Пример 10. Нитрат никеля в качестве металлосодержащего компонента отходов подают в ванну расплава элементарного железа (Fe). Нитрат никеля реагирует с железом в качестве первого восстановителя с образованием нитрата железа (Fe (NO₃)₂) и элементарного никеля (Ni). Нитрат железа деградирует в ванне расплава железа с образованием окиси железа (FeO) в качестве растворимого промежуточного соединения и газообразного азота (N₂↑), который выпускается из ванны расплава железа. В ванну расплава железа в качестве второго восстановителя подают углерод (C), который реагирует с окисью железа с образованием моноокиси углерода (CO) и элементарного железа. Моноокись углерода выходит из ванны расплава железа в виде газа.

Изобретение относится к регенированию материалов отходов. Способ включает химическое восстановление по существу всех восстановительных токсичных и потенциальное опасных металлсодержащих компонентов отходов. Отходы подают в ванну расплава металла, включающую первый восстановитель, который при рабочих условиях расплава металла в ванне расплава химически восстанавливает металл металлсодержащего компонента с образованием растворимого промежуточного соединения, второй восстановитель при рабочих условиях расплава металла в ванне расплава химически восстанавливает металл растворимого промежуточного соединения. Скорость, с которой подают второй восстановитель в ванну расплава металла, по сравнению со скоростью, с которой в ванну расплава металла подают компонент отходов, достаточна для растворения в ванне расплава металла по существу всего образовавшегося металлсодержащего промежуточного соединения, в результате чего происходит непрямое химическое восстановление компонента отходов. Такая технология обеспечивает регенерирование различных материалов, включая золу металлсодержащих муниципальных отходов, стекловидные шлакообразные материалы и отработанные металлические катализаторы. 2 с. и 29 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ непрямого химического восстановления по меньшей мере одного компонента из отходов, включающий химическое восстановление компонентов и извлечение компонента в ванне расплава металла, отличающийся тем, что восстановление ведут стадийно путем подачи отходов в ванну расплава металла, содержащего первый металл-восстановитель, который в рабочих условиях химически восстанавливает указанный компонент отходов с образованием растворенного металлсодержащего промежуточного соединения первого металла-восстановителя, затем воздействуют на металл металлсодержащего промежуточного соединения вторым восстановителем в ванне расплава, при этом второй восстановитель при рабочих условиях ванны химически восстанавливает указанный первый металл при скорости относительно скорости направления отходов, которая является достаточной для растворения в ванне расплава металла практически всего образованного металлсодержащего промежуточного соединения для последующего восстановления металла промежуточного соединения, посредством которого происходит непрямое восстановление компонента отходов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый восстановитель является компонентом ванны расплава металла. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй восстановитель подают в ванну расплава со скоростью относительно скорости, при которой образовано промежуточное соединение для растворения в расплаве ванны практически всего образовавшегося промежуточного соединения. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что второй восстановитель подают в ванну расплава металла в месте, достаточно удаленном от места введения отходов, для возможности растворения всего образовавшегося в ванне расплава металла промежуточного соединения перед восстановлением металла указанного промежуточного соединения вторым восстановителем. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что второй восстановитель и металл упомянутого компонента подают в ванну расплава металла в стехиометрическом соотношении около 1:1. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что стехиометрическое соотношение первого восстановителя в ванне расплава металла к металлу компонента отходов больше, чем около 1:1, и стехиометрическое соотношение второго восстановителя к промежуточному соединению первого металла-восстановителя больше, чем около 1:1. 7. Способ по п.3, отличающийся тем, что отходы и второй восстановитель подают в ванну расплава с чередующимися интервалами, в результате чего практически все содержащее металл промежуточное соединение, образовавшееся в ванне расплава металла, растворяется до восстановления металла упомянутого промежуточного соединения вторым восстановителем. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы включают более, чем один компонент, который может быть восстановлен первым металлом-восстановителем в ванне расплава металла. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что металлический компонен, который является значительной частью ванны расплава металла, является также металлическим компонентом промежуточного соединения. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что первый восстановитель включает металл в элементарном состоянии. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что компонент отходов является органическим компонентом и дополнительно ключает стадию дессоциации органического компонента на соответственные элементы. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй восстановитель включает углерод. 13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительной включает стадию испарения металла промежуточного соединения и ппоследующего извлечения металла. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент содержится в шламе. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент содержится в золе. 16. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент содержится в пыли. 17. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонент содержится в почве. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что компонент выбирают из группы, включающей титан, ванадий, ниобий, хром, кобальт, никель, серебро и платину. 19. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонентом является летучий тяжелый металл. 20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что тяжелый металл выбирают из группы, включающей свинец, ртуть, кадмий, цинк, олово и мышьяк. 21. Способ по п.1, отличающийся тем, что компонентом является железо или медь. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что компонент включает хлорокись металлов. 23. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй восстановитель является металлом. 24. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает подачу в ванну расплава металла жертвуемого металла после восстановления вторым восстановителем по крайней мере значительной части промежуточного соединения, при этом жертвуемый металл растворяется в ванне расплава металла и имеют более низкую свободную энергию окисления, чем второй восстановитель, в результате чего жертвуемый металл реагирует с вторым компонентом композиции отходов, который по существу инертен по отношению к первому и второму восстановителям при температуре расплава металла в ванне расплава. 25. Способ по п.24, отличающийся тем, что жертвуемый металл выбирают из группы, включающей алюминий, магний, кальций, кремний и их смеси. 26. Способ непрямого химического восстановления по крайней мере одного компонента из отходов, включающий химическое восстановление компонента, извлечение восстановленного компонента в ванне расплава металла, отличающийся тем, что восстановление ведут в стадии: подачи отходов, содержащих компонент, в ванну расплава металла, содержащую первый металл-восстановитель, который при рабочих условиях ванны расплава металла химически восстанавливает упомянутый компонент отходов с образованием растворенного металлсодержащего промежуточного соединения, подачи реагента обмена металл-лиганда в ванну расплава металла, при этом реагент обмена металл-лиганда вызывает реакцию обмена металл-лиганта с металлсодержащим промежуточным соединением с образованием продукта обмена металл-лиганда, который включает металл промежуточного соединения, и воздействия на продукт обмена металл-лиганда второго восстановителя в ванне расплава металла, которая при рабочих условиях ванны химически восстанавливает металл продукта обмена металла-лиганда со скоростью относительно скорости подачи компонентов отходов в ванну расплава, которая является достаточной для восстановления в ванне расплава металла практически всего образовавшегося металла промежуточного соединения, посредством которого происходит непрямое восстановление компонента отходов. 27. Способ по п.26, отличающийся тем, что лиганд промежуточного соединения является кислородсодержащим лигандом. 28. Способ по п.26, отличающийся тем, что лиганд промежуточного соединения является серосодержащим лигандом. 29. Способ по п.27, отличающийся тем, что лиганд промежуточного соединения является фосфорсодержащим лигандом. 30. Способ по п.26, отличающийся тем, что лиганд промежуточного соединения является азотсодержащим лигандом. 31. Способ по п.26, отличающийся тем, что лиганд промежуточного соединения является галогенсодержащим лигандом.