Способ уничтожения органических отходов

 

Сущность: способ уничтожения органических отходов в ванне с расплавленным металлом и шлаком. Этот способ включает подачу органических отходов в ванну для образования первичной зоны реакции, в которой органические отходы подвергаются термическому расщеплению, а продукты термического расщепления, которые не поглощаются ванной, высвобождаются в пространство над поверхностью ванны. Способ включает далее подачу кислородсодержащего газа по направлению к поверхности ванны для образования вторичной зоны реакции в пространстве над поверхностью ванны, в котором поддающиеся окислению продукты из первичной зоны реакции полностью окисляются, а тепло, высвобождающееся благодаря этому окислению, передается в ванну. Для того, чтобы способствовать эффективной передаче тепла из первичной зоны реакции в ванну, способ дополнительно включает подачу инертного или другого подходящего газа в ванну, чтобы выгнать выброс расплавленного металла и шлака вверх ванны во вторичную зону реакции. 22 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу уничтожения органических отходов.

Понятие органические отходы в данном случае включает (но не ограниченно) токсичные материалы, такие как пестициды, гербициды, краски, и медицинские отходы, отработанные масла, загрязненные растворители и черный щелок.

Известен способ уничтожения органических отходов в ванне с расплавленным шлаком и металлом, включающий подачу отходов в ванну с расплавом, в котором они разлагаются, при этом продукты термического разложения, не поглощенные ванной, высвобождаются в пространство над поверхностью ванны, где их дожигают путем подачи кислородсодержащего газа, а тепло реакции передается в ванну (SU, 1315738).

Способ согласно изобретению обеспечивает высокий уровень защиты против того, чтобы непрореагировавшие или частично прореагировавшие органические отходы обходили процесс и выбрасывались из резервуара вместе с потоком выходящего газа. Это достигается благодаря созданию по крайней мере двух отдельных зон реакции, через которые проходят органические отходы перед тем, как покинуть резервуар.

Способ уничтожения органических отходов в ванне с расплавленным шлаком и металлом согласно изобретению отличается тем, что в ванне создают завесу из капель шлака и металла для очистки летучих фракций продукта и передачи тепла расплавленному металлу, шлаку и ванне путем подачи в нее инертного или другого газа снизу вверх.

Предпочтительно в ванну дополнительно подают кислородсодержащий газ до по меньшей мере частичного окисления продуктов термического разложения.

Особенно предпочтительно подавать кислородсодержащий газ в ванну в стехиометрическом соотношении кислорода к окисляемой части по меньшей мере 1:1.

Еще более предпочтительно поддерживать контролируемую температуру над поверхностью ванны по меньшей мере на 200^oC выше, чем температура ванны.

Особенно предпочтительно контролируемую температуру над поверхностью ванны поддерживать в пределах 1500 - 2700^oC.

Особенно предпочтительно подавать в ванну углеродсодержащий материал с образованием зоны науглероживания, при этом углерод углеродсодержащего материала растворен в ванне.

Понятие "углеродсодержащий материал" в данном случае включает твердые углеродистые топливные материалы такие, как кокс и уголь, жидкие топливные материалы, как нефть, легкая топливная нефть, дизельное топливо и тяжелая топливная нефть, а также газообразные топливные материалы такие, как природный газ, метан, этан, пропан, бутан или любые смеси топливных материалов.

В описанных предпочтительных вариантах осуществления изобретения тепло, поступающее в ванну из вторичной зоны реакции, используется для компенсации тепла, потраченного в ванне на эндотермические реакции в зоне обуглероживания, а в некоторых случаях - в зоне первичной реакции.

Основной целью подачи кислорода в первичную зону реакции является по крайней мере частичное окисление введенных органических отходов и продуктов термического расщепления органических отходов. Однако одновременно кислород вступает в реакцию с растворенным в ванне углеродом для образования CO и с металлом ванны для образования окисей металл, которые или поступают в шлак, или же раскисляются растворенным углеродом обратно в металл. Обуглероживание металла в зоне обуглероживания поддерживает концентрацию растворенного углерода в металле выше соответствующего минимального уровня.

В основном продукты, поступающие из первичной зоны реакции в пространство над ванной, включают поддающиеся окислению материалы CO, H₂ и углеродсодержащие материалы, являющиеся следствием термического расщепления органических отходов. Эти продукты могут также содержать летучие виды, как металлы, так и другие соединения и элементы, которые загрязняют органические отходы или же добавляются с органическими отходами. Обычно продукты реакции из вторичной зоны реакции состоят из CO₂ и H₂O.

Предпочтительно, чтобы любые летучие виды очищались во вторичной зоне реакции. Предпочтительно органические отходы и кислородсодержащий подавать в ванну через ее дно. Особенно предпочтительно инертный или другой газ подавать в ванну совместно с углеродсодержащим материалом, а кислородсодержащий газ подавать над поверхностью ванны над зоной науглероживания.

Еще более предпочтительно инертный или другой газ подавать в ванну вблизи зоны науглероживания с образованием зоны подачи газа, а кислородсодержащий газ подавать над зоной подачи газа.

Предпочтительно при осуществлении способа в ванну дополнительно вводят добавки для получения необходимых продуктов реакции. Предпочтительно добавки включают щелочную землю. Еще более предпочтительно в ванну отдельно или совместно с органическими отходами дополнительно подают реагенты, корректирующие состав шлака. Предпочтительно корректирующие реагенты включают CaO и фтористый шпат. Еще более предпочтительно, чтобы ванна содержала по меньшей мере 10% металла, особенно предпочтительно, чтобы ванна содержала по меньшей мере 70% металла, еще более предпочтительно, чтобы ванна содержала по меньшей мере 80% металла.

Предпочтительно, чтобы металл выбирали из одной или нескольких групп, включающих железо, феррорасплавы, олово, никель, хром, кремний и медь, а также их смеси. Еще более предпочтительно, чтобы металл включал железо.

Предпочтительно инертный или другой газ выбирают из одного или более инертного газа, рециклированного процессного газа, природного газа, двуокиси углерода, пропана или бутана или смеси этих газов. Предпочтительно в качестве инертного газа выбирают азот.

Предпочтительно кислородсодержащий газ, подаваемый над поверхностью ванны, выбирают из одной или нескольких групп, включающих кислород, обогащенный кислородом воздуха, и пар.

Еще более предпочтительно кислородсодержащий газ дополнительно нагревают до температуры в пределах 900 - 1600^oC.

На фиг. 1 изображено предпочтительное воплощение способа уничтожения органических отходов согласно изобретению; на фиг. 2 - другое предпочтительное воплощение способа уничтожения органических отходов согласно изобретению; на фиг. 3 - еще одно предпочтительное воплощение способа уничтожения органических отходов согласно изобретению.

Каждое из предпочтительных воплощений способа согласно изобретению (фиг. 1-3) осуществляют в ванне 3.

Ванна 3 может иметь любую подходящую форму металлургического резервуара с внутренней огнеупорной стенкой и внешней металлической оболочкой. Ванна 3 имеет цилиндрическую форму, расположенную горизонтально и содержащую донные фурмы 5, 7, кран для шлакометалла 9 и канал для подачи воздуха 10, а также верхнее выходное отверстие 11 для выпуска газа с одной стороны ванны 3, обычно отношение длины к диаметру ванны составляет 3:1.

Ванна 3 содержит объем расплавленного металла, включающий по крайней мере 10% железа и слой шлака (не показан), при температуре по крайней мере 1400^oC.

Другие металлы для ванны могут подбираться, как и требуется, например, могут также включать один или несколько ферросплавов, олово, никель, кремний и медь.

Предпочтительный вариант способа, показанный на фиг. 1, включает подачу органических отходов соответствующего несущего газа, такого, как инертный газ, через донную фурму 5 для образования первичной зоны реакции, схематически указанной кружком 13, которая располагается в конце ванны 3, удаленной от выпускного отверстия 11 газа.

Органические отходы термически расщепляются в первичной зоне реакции 13 на C и H₂. Часть продуктов остается в ванне, а остальная часть продуктов выпускается в пространство над ванной, расположенной непосредственно над первичной зоной реакции 13.

Способ по фиг. 1 также включает подачу предварительно подогретого воздуха обычно при температуре 900 и 1600^oC или же другого подходящего кислородсодержащего газа через инъекционный канал 10 по направлению к поверхности ванны, прилегающей к первичной зоне реакции 13 для образования вторичной зоны реакции, обозначенной схематически кружком 17, в пространстве над ванной, расположенном между участком непосредственно над первичной зоной реакции 13 и выходным отверстием 11 газа. Одновременно азот или другой подходящий газ подается через фурмы 7 в ванну непосредственно под вторичной зоной реакции 17 и вызывает извержение расплавленного металла и шлака в форме всплеска и/или завесы капель из поверхности ванны во вторичную зону реакции 17.

В основном, азот подается в количестве, превышающем или равном 0,1 N³_ж мин^-1т^-1 расплавленного металла в ванне. Предварительно подогретый воздух полностью окисляет продукты из первичной зоны реакции 13 во время прохождения этих продуктов через вторичную зону реакции 17 от участка непосредственно над первичной зоной реакции 13 к выходному отверстию 11 газа.

Более того, тепло, высвобождаемое таким образом, эффективнее передается всплеском и/или по каплям расплавленного металла и шлака, а затем в ванну, когда эти всплески и/или капельки падают вниз на поверхность ванны.

Всплески и/или капельки также очищают любые летучие виды, такие как загрязнения металла, и любые частички материала в органических отходах по мере того, как эти продукты проплывают через вторичную зону реакции 17 и переносят их в ванну.

Следует отметить, что в действительности эти всплески и/или капельки расплавленного металла и шлака образуют завесу во вторичной зоне реакции 17, которая представляет собой эффективное средство для передачи тепла в ванну и очищения летучих фракций и частиц материала из продуктов, протекающих через вторичную зону реакции 17.

Обычно температура во вторичной зоне реакции контролируется для поддержания ее на уровне по крайней мере на 200^oC выше, чем температура расплавленного металла. Обычно температура во вторичной зоне реакции 17 находится в диапазоне 1500 - 2700^oC.

Из изложенного легко понять, что вторичная зона реакции 17 выполняет три важные функции. А именно, вторичная зона реакции 17: а) полностью окисляет поддающуюся окислению часть продуктов из первичной зоны реакции 13; б) обеспечивает передачу тепла, выделяющего при окислении в ванну и в) очищает любые летучие элементы, такие как загрязнители металла и частицы материала продуктов реакции.

Предварительно разогретый воздух может подаваться во вторичную зону реакции 17 любыми подходящими средствами, такими, например, как одиночные или множественные фурмы верхнего дутья или трубки с одним или множеством отверстий.

Предпочтительный вариант воплощения способа по изобретению, показанный на фиг. 2, подобен варианту фиг. 1 и дополнительно включает подачу кислорода или любого другого подходящего кислородсодержащего газа вместе с органическими отходами через фурмы 5 в первичную зону реакции 13.

Кислород и органические отходы движутся по направлению к поверхности ванны, подвергаются термическому расщеплению и по крайней мере частично окисляются.

Часть продуктов термического расщепления и частичного окисления остается в ванне, а остальная часть высвобождается из ванны в пространство над первичной зоной реакции 13.

Обычно продукты, высвобождающиеся в пространстве над первичной зоной реакции 13, включают поддающиеся окислению материалы CO, H₂ и углеродсодержащий материал, являющийся результатом термического расщепления органических отходов, а также другие летучие фракции, присутствующие в качестве загрязнителей в органических отходах или же введенные вместе с отходами.

Следует отметить, что существует ряд возможных реакций кислорода, вводимого в первичную зону реакции 13 через фурмы 5.

В дополнение к ряду предпочтительных реакций, указанных выше, кислород может вступать в реакцию с железом и углеродом, растворенным в железе, образуя FeO и CO. Эти реакции ведут к уменьшению количества кислорода, требующегося для предпочтительных реакций с продуктами термического расщепления органических отходов, и по этой причине они нежелательны.

В дополнение к этому следует сказать, что эти реакции нежелательны и потому, что образующийся CO увеличивает объем газа и понижает уровень растворенного в железе углерода и таким образом понижает способность ванны к разложению FeO.

Это в принципе - конкурирующие реакции в том смысле, что изменение уровня растворенного в железе углерода оказывает противоположное воздействие на реакции. В порядке пояснения следует указать, что поддерживание высокого уровня растворенного в железе углерода ведет к сравнительно высокому уровню CO и к низкому уровню FeO и, с другой стороны, поддерживание низкого уровня растворенного в железе углерода ведет к сравнительно низкому уровню CO и сравнительно высокому FeO.

Следовательно, необходимо поддерживать уровень растворенного в железе углерода в определенных пределах.

Установлено, что в ситуациях, когда расплавленный металл включает по крайней мере 60% железа, оптимальную операцию можно осуществить путем поддержания концентрации углерода в ванне в пределах 1 - 3% по массе и температуры расплавленного металла между 1350 и 1600^oC. Было установлено, что в таких оперативных условиях по существу все окиси металлов, подаваемых в ванну, раскисляются в металл.

Имея в виду изложенное, способ, показанный на фиг. 2, включает подачу угля или другого подходящего углеродсодержащего материала в ванну через донные фурмы 7 для образования зоны обуглероживания, обозначенной схематически зоной 15.

Летучие фракции угля подвергаются термическому расщеплению, углерод растворяется в железе и рассеивается по всей ванне, включая в особенности первичную зону реакции 13.

Следует отметить, что теплопередача из вторичной зоны реакции 17 в ванну очень важна, поскольку реакции в зоне обуглероживания 15 в основном эндотермичны и очень важно компенсировать потерю тепла, вызванную этими реакциями, для поддержания температуры ванны на уровне, позволяющем термическое расщепление органических отходов.

Предпочтительный вариант реализации способа согласно изобретению, показанный на фиг. 3, подобен вариантам фиг. 1 и 2 в том, что он включает направление органических отходов через первичную зону реализации 13 и вторичную зону реализации 17.

Этот способ также включает подачу одной или нескольких добавок в расплавленный металл через донную фурму 61.

Добавки выбраны таким образом, чтобы превращать особые компоненты органических отходов, таких как галогены, в более инертные и/или в более легко поддающиеся разложению формы.

Этот способ также включает последовательное направление продуктов вторичной зоны 17 через третичную зону реакции, схематически обозначенную позицией 23, для обеспечения более высокого уровня надежности.

Третичная зона реакции 23 образуется путем подачи кислородсодержащего газа через инъекционный канал 10 по направлению к поверхности ванны и любого другого подходящего газа через фурмы в ванну под третичной зоной 23 для того, чтобы вызвать извержение расплавленного металла и шлака в форме всплесков и/или всплеск в третичную зону реакции 23.

Обычно кислородсодержащий газ, подаваемый во вторичную зону реакции 17, содержит обогащенный кислородом воздух, включающий 25% кислорода, O₂, и предварительно разогретый до 1350^oC, а содержащий кислород газ, подаваемый в третичную зону реакции, содержит предварительно разогретый воздух.

Предпочтительные варианты воплощения способа согласно изобретению, показанные на фиг. 1, 2, могут иметь различные модификации без отклонения существа и объема изобретения.

В этом отношении, хотя согласно предпочтительным вариантам органические отходы, кислородсодержащий газ и углеродсодержащие материалы вводятся в ванну для образования отдельных крупноразмерных зон реакции и обуглероживания в ванне, легко понять, что изобретение не является столь ограничительным и что подача составных в ванну может быть ориентирована путем создания отдельных в основном мелкоразмерных зон обуглероживания и первичной реакции.

Более того, хотя предпочтительное воплощение согласно фиг. 2 предусматривает размещение вторичной зоны реакции 17 непосредственно над зоной обуглероживания 15, ясно, что изобретение не ограничено этим и вторичная зона реакции 17 может быть размещена над частью ванны, примыкающей к зоне обуглероживания 15.

Кроме того, хотя в предпочтительных воплощениях по фиг. 2 и 3 углеродсодержащий материал подается в ванну через донные фурмы, легко понять, что изобретение не ограничено этим и допускает использование любых подходящих средств, включая фурмы и трубки верхнего наддува.

Формула изобретения

1. Способ уничтожения органических отходов в ванне с расплавленным шлаком и металлом, включающий подачу отходов в ванну с расплавом, в котором они разлагаются, при этом продукты термического разложения, не поглощенные ванной, высвобождаются в пространство над поверхностью ванны, где их дожигают путем подачи кислородосодержащего газа, а тепло реакции передается в ванну, отличающийся тем, что в ванне создают завесу из капель шлака и металла для очистки летучих фракций продукта и передачи тепла расплавленному металлу, шлаку и ванне путем подачи в нее инертного или другого газа снизу вверх.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в ванну дополнительно подают кислородосодержащий газ до по меньшей мере частичного окисления продуктов термического разложения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что кислородосодержащий газ подают в ванну в стехиометрическом соотношении кислорода и окисляемой части по меньшей мере 1 : 1.

4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что контролируемая температура над поверхностью ванны по меньшей мере на 200^oC выше температуры ванны.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что контролируемую температуру над поверхностью ванны поддерживают в пределах 1500 - 2700^oC.

6. Способ по любому из пп. 1 - 5, отличающийся тем, что в ванну дополнительно подают углеродосодержащий материал с образованием зоны науглероживания, при этом углерод углеродосодержащего материала растворен в ванне.

7. Способ по любому из пп. 1 - 6, отличающийся тем, что органические отходы подают в ванну через ее дно.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что кислородосодержащий газ подают в ванну через ее дно.

9. Способ по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что инертный или другой газ подают в ванну совместно с углеродосодержащим материалом, а кислородосодержащий газ подают над поверхностью ванны над зоной науглероживания.

10. Способ по любому из пп. 1 - 9, отличающийся тем, что инертный или другой газ подают в ванну вблизи зоны науглероживания с образованием зоны подачи газа, а кислородосодержащий газ подают над зоной подачи газа.

11. Способ пол любому из пп 1 - 10, отличающийся тем, что ванну дополнительно вводят добавки для получения необходимых продуктов реакции.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что добавки включают щелочную землю.

13. Способ по любому из пп 1 - 12 отличающийся тем, что в ванну отдельно или совместно с органическими отходами дополнительно подают реагенты, корректирующие состав шлака.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что корректирующие реагенты включают CaO и фтористый шпат.

15. Способ по любому из пп. 1 - 14, отличающийся тем, что ванна содержит по меньшей мере 10% металла.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что ванна содержит по меньшей мере 70% металла.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что ванна содержит по меньшей мере 80% металла.

18. Способ по любому из пп 1 - 17, отличающийся тем, что металл выбирают из одной или нескольких групп, включающих железо, ферросплавы, олово, никель, хром, кремний, медь, а также их смеси.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что металл включает железо.

20. Способ по любому из пп. 1 - 19, отличающийся тем, что инертный или другой газ выбирают из одного или более инертных газов рециклированного процессного газа, двуокиси углерода, пропана, или бутана или смеси этих газов.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что в качестве инертного газа выбирают азот.

22. Способ по любому из пп. 1 - 21 отличающийся тем, что кислородосодержащий газ, подаваемый над поверхностью ванны, выбирают из одной или нескольких групп, включающих кислород, обогащенный кислородом воздух и пар.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что кислородосодержащий газ дополнительно нагревают до 900 - 1600^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3