Способ каталитической переработки углеродсодержащего сырья в ванне расплавленного металла - RU2069686C1

Чертежи

Описание

По оценке Агентства по охране окружающей среды (ЭПА), ежегодно в Соединенных Штатах (в мире) образуется свыше 270 млрд литров (70 млрд галлонов) опасных отходов. К опасным отходам относят органические материалы, такие как многохлористые дифенилы, пестициды, гербициды, городские отходы, отходы медицинских учреждений, включая патогенные вещества, краски, чернила и зараженные растворители, растворы крови и взрывчатые вещества. К неорганическим веществам, представляющим серьезную проблему для окружающей среды, относят оксиды железа, цинка, меди, свинца, магния, алюминия, хрома и кадмия, различные порошкообразные металлические отходы производства и металлосодержащие шламы.

Кроме того, по классификации ЭПА, к токсичным, воспламеняющимся, коррозионно-опасным или реакционно-опасным относят многие отходы обычных материалов, например, шлам красок от заводов электробытовых приборов; отстои хрома и никеля от гальваноцехов; отработанное сырье для производства лаков, дорожных покрытий и детергентов на химических заводах; растворители, применяемые для сухой чистки одежды и обезжиривания компьютерных микросхем; ртуть из отслуживших свой срок батареек для наручных часов; остатки бутана в выброшенных зажигалках, а также щелока из банок из-под чистящих средств для верхней одежды.

Для удаления таких отходов начинает не хватать свалок. В условиях отсутствия подходящих свалок опасные отходы должны преобразовываться в безопасные, предпочтительно полезные, вещества. В разработку альтернативных методов обработки опасных отходов вкладываются огромные средства. К различным реакторам, применяемым для декомпозиции опасных отходов, относятся, например, вращающаяся обжиговая печь, реактор с впрыском жидкости, комбинированная печь, комбинированная камера, реактор с псевдоожиженным слоем, реактор с расплавом солей, а также высокоэффективные котлы.

Обычным реактором для пиролитического разрушения и сжигания органических отходов является вращающаяся обжиговая печь. Как правило, пиролиз во вращающейся обжиговой печи начинается под воздействием высокотемпературного пламени. Реакционные группы, образованные пламенем, окисляются затем при контакте с кислородом. Однако, поскольку отходы часто обладают высокой вязкостью, в общем случае трудно организовать контакт реакционных групп с кислородом для сгорания реакционных групп. Поэтому степень разрушения отходов может снижаться. Кроме того, при подаче реакционных материалов через вращающуюся обжиговую печь, теплота от сгорания выделяется в стороне от конца пламени, что ограничивает количество тепла, которое может быть использовано на начальной стадии пиролиза.

Тайтас с соавторами, патент США N 3812620, описывают жидкую ванну расплавленного стекла и различных металлов, которая образуется в ходе сжигания "гетерогенных отходов", например, городских отходов. Различные органические вещества, присутствующие в отходах, пиролизуют в жидкой ванне при температуре до примерно 5600^oC (10000^oF). Однако разложившиеся вещества не входят в контакт с кислородом, вводимым в жидкую ванну.

Раммел, патенты США NN 2647045, 2923260 и 2953445, раскрывает жидкую ванну расплавленного шлака, образующуюся в результате восстановления железной руды или "негорючих остатков продуктов угля". Мелко измельченный уголь подают в ванну и производят раздельную подачу порций воздуха с "эндотермическим реактантом", например, водой. Процесс предпочтительно осуществлять в двух отдельных зонах эндотермической и экзотермической.

Рэссор с соавторами, патенты США NN 4187672 и 4244180, раскрывает применение расплавленного железа в качестве растворителя для углерода, образующегося при загрузке угля сверху. Затем углерод частично окисляется оксидом железа и кислородом, подаваемым сверху. Однако, карбонизация и окисление происходят в отчетливо выраженных карбонизационной и окислительной камерах.

Известны также процессы, проводимые в расплавах солей, типичным из которых является реакция карбонатов щелочных металлов в основной, или щелочной, ванне расплава, в которую вводятся кислород и отходы. Однако деградация отходов в таких ваннах основана в принципе на термическом распределении, а не на химической реакции (см. например, патенты США NN 4447262, 4246255 и 4017271).

Массовое уничтожение многохлористых дифенилов может быть осуществлено в крупномасштабных высокоэффективных котлах путем добавления их к обычному топливу в количествах до 5% (см. "Destruction of High Concentration PCB in a Utility Boiler", by Siedhoff, Zale and Morris, Proceedings of the 1983 PCB Seminar, Electric Power Research Institute).

Однако долговременные коррозионные характеристики таких высокоэффективных котлов, а также другие возможные эффекты в них малоизучены.

Альтернативным способом удаления отходов является их окисление путем реакции органических материалов и кислорода в присутствии воды и в условиях высоких температур и давлений (см. Wilhelmi, A.R. and Knoop, P.V. "Wet Air Oxidation An Alternative to Incineration, "Chemical Engireering Progress, 75: 46-53 (1979). Однако, неорганические соли, уголь и металлосодержащие твердые вещества могут накапливаться на стенках устройств, применяемых для таких способов, что требует удаления накопленных отложений, вызывает коррозию и ограничивает рабочую емкость и срок службы таких устройств.

Бах с соавторами, патенты США NN 4574714 и 4602574, раскрывают объединенный процесс, в котором органические и неорганические отходы вводят в жидкую ванну расплавленного металла совместно с кислородом. Жидкая ванна расплавленного металла состоит из металлов и оксидов металлов, свободные энергии окисления которых при условиях жидкой ванны расплавленных металлов выше, чем свободная энергия окисления углерода в моноксид углерода. Отходы пиролитически разлагаются и окисляются в присутствии жидкой ванны расплавленных металлов с образованием моноксида углерода. Моноксид углерода может быть окислен путем контакта с газообразным кислородом, вводимым в жидкую ванну расплавленного металла.

Настоящее изобретение относится к новому способу и к новой системе для извлечения и каталитического превращения углеродсодержащего питания в атомарный углерод и окисления атомарного углерода с образованием диоксида углерода.

Способ каталитического превращения углеродсодержащего питания в атомарный углерод и окисления атомарного углерода с образованием диоксида углерода в ванне расплавленного металла включает в себя введение углеродсодержащего питания в ванну расплавленного металла. Ванна расплавленного металла содержит первую фазу расплавленного металла, включающую металл с большей свободной энергией окисления при условиях ванны расплавленного металла, чем свободная энергия окисления атомарного углерода с образованием моноксида углерода, и в котором атомарный углерод достаточно растворим. Ванна расплавленного металла содержит также вторую фазу расплавленного металла, существенно на смешивающуюся с первой фазой расплавленного металла; указанная вторая фаза расплавленного металла включает металл с большей свободной энергией окисления при условиях ванны расплавленного металла, чем свободная энергия окисления моноксида углерода с образованием диоксида углерода, и в которой растворимость атомарного углерода существенно ниже, чем в первой фазе расплавленного металла, посредством чего ванна расплавленного металла каталитически превращает углерод, присутствующий в углеродсодержащем питании, в атомарный углерод, и посредством чего атомарный углерод, образующийся во второй фазе расплавленного металла, мигрирует в первую фазу расплавленного металла. В ванну расплавленного металла вводится кислород, посредством чего атомарный углерод в первой фазе расплавленного металла окисляется с образованием моноксида углерода, и посредством чего моноксид углерода мигрирует во вторую фазу расплавленного металла, в которой происходит окисление моноксида углерода в диоксид углерода.

Система ванны расплавленного металла для каталитического превращения углеродсодержащего питания в атомарный углерод и для окисления атомарного углерода с образованием диоксида углерода включает сосуд и ванну расплавленного металла, размещенную в указанном сосуде. Ванна расплавленного металла содержит первую фазу расплавленного металла, включающую металл с большей свободной энергией окисления при условиях ванны расплавленного металла, чем свободная энергия окисления атомарного углерода с образованием моноксида углерода, и в которой атомарный углерод достаточно растворим. Ванна расплавленного металла содержит также вторую фазу расплавленного металла, существенно не смешивающуюся с первой фазой расплавленного металла; указанная вторая фаза расплавленного металла включает металл с большей свободно энергией окисления при условиях системы ванны расплава, чем свободная энергия окисления моноксида углерода с образованием диоксида углерода, и в которой растворимость атомарного углерода существенно ниже, чем в первой фазе расплавленного металла, посредством чего ванна расплавленного металла каталитически превращает углерод, присутствующий в углеродсодержащем питании, в атомарный углерод, и посредством чего атомарный углерод, образующийся во второй фазе расплавленного металла, мигрирует в первую фазу расплавленного металла. Средства введения кислорода в ванну расплавленного металла обеспечивают контакт атомарного углерода с кислородом, посредством чего атомарный углерод в первой фазе расплавленного металла существенно окисляется с образованием моноксида углерода, и посредством чего моноксид углерода направляется во вторую фазу расплавленного металла, где моноксид углерода, образовавшийся в первой фазе расплавленного металла, подлежит существенному окислению с образованием диоксида углерода. Средства для удаления диоксида углерода удаляют диоксид углерода, образовавшийся в ванне расплавленного металла системы ванны расплавленного металла.

Настоящее изобретение обладает рядом преимуществ. Из углеродсодержащего питания образуются свободные радикалы атомарных составляющих, включая углерод. По крайней мере часть этих свободных радикалов превращается экзотермической реакцией в относительно стабильные вещества, например, в диоксид углерода и воду. Тепла, вырабатываемого экзотермической реакцией, может оказаться достаточно для того, чтобы расплавленные металлы ванны расплава каталитически превращали атомарные составляющие дополнительно поступающего углеродсодержащего питания в соответствующие элементы. Таким образом, свободные радикалы могут непосредственно способствовать образованию из углеродсодержащего питания других свободных радикалов. Экзотермическая реакция может также вырабатывать достаточно тепла для того, чтобы передавать тепло от ванны расплава для использования в других целях, например, для выработки электроэнергии. Использование в ванне расплава несмешивающихся металлов позволяет избирать различные сочетания металлов в соответствии с их относительной растворимостью и свободной энергией окисления, посредством чего можно управлять реакцией свободных радикалов для образования относительно стабильных веществ. Химическая энергия, масса и термические энергии могут передаваться внутри ванны расплавленного металла с образованием термодинамически стабильных веществ при условиях, определяемых каждой фазой ванны расплавленного металла, определяющей реакционную систему. Далее, превращение в стабильные вещества может быть существенно полным, что предотвращает выделение существенных количеств токсичных выбросов в атмосферу. Высокая растворимость образовавшихся веществ в ванне расплава позволяет осуществлять сбор существенных количеств этих веществ в ванне расплава. Многие из этих образовавшихся веществ могут удаляться путем их невыщелачиваемого включения в стекловидную кристаллографическую матрицу слоя шлака, расположенного на поверхности ванны металла. Таким путем может быть существенно снижено выделение газообразных вредных веществ.

На фиг. 1 схематически представлен один из вариантов системы ванны расплава по настоящему изобретению; на фиг. 2 представлен график свободных энергий окисления для металлов, применимых в настоящем изобретении, а также график свободной энергии окисления углерода в моноксид углерода и в диоксид углерода.

Характерные особенности и другие детали способа по настоящему изобретению более подробно будут описаны далее со ссылками на прилагаемые чертежи и отмечены в формуле изобретения.

Настоящее изобретение в целом относится к способу и системе извлечения атомарных составляющих из углеродсодержащего питания и превращения этих атомарных составляющих в термодинамически стабильные формы в ванне расплавленного металла. Бах с соавторами, патенты США NN 4574714 и 4602574, описывают ванну расплавленного металла, например такую, какая используется на сталелитейном заводе, которая уничтожает многохлористые дифенилы и другие органические отходы, по желанию совместно с неорганическими отходами.

Система ванны расплава 10 по одному из вариантов настоящего изобретения показана на фиг. 1. Фигура изображает сосуд 12. Сосуд 12 включает загрузочное отверстие 14. Сосуд 12 изготавливают из подходящего материала, известного из современного уровня развития техники. Загрузочное отверстие 14 применимо для направления в сосуд 12 подходящего углеродсодержащего питания. Газоотвод горячего газа 16 простирается от открытой части 17 сосуда 12 и применим для направления горячих газов из сосуда 12 к подходящим средствам обработки, не показанным на фигуре, для обработки газов, полученных способом по настоящему изобретению.

Фурма 18 включает трубу подачи кислорода 20, обеспечивающую сообщение для текучего вещества между источником кислорода 22 и нижней частью 23 сосуда 12. Фурма 18 также включает трубу подачи кислорода 20, заключенную внутри трубы подачи углеродсодержащего питающего газа 24 у отверстия фурмы 26. Труба подачи углеродсодержащего питающего газа 24 обеспечивает сообщение для текучего вещества между источником углеродсодержащего питающего газа 28 и сосудом 12. Фурма 18 имеет размеры и форму, обеспечивающие совместную и непрерывную подачу подходящего углеродсодержащего питающего газа и кислорода в сосуд 12. Однако, допускается, что углеводородный газ и кислород могут подаваться в сосуд 12 не только непрерывно, и периодически. Допустимо также, что в сосуде 12 может устанавливаться более чем одна фурма 18, а также любая фурма, известная из современного уровня развития техники и пригодная для достижения желаемых режимов дутья.

Донная спускная труба 30 отходит от сосуда 12 и пригодна для удаления из сосуда 12 расплавленного металла. В качестве средств непрерывного или дискретного удаления дополнительных фаз могут быть установлены дополнительные спускные трубы. Индукционная катушка 32 размещена на сосуде 12 так, чтобы обеспечивать нагрев сосуда 12, достаточный для начала и/или обеспечения нагрева в ходе применения способа по настоящему изобретению. Допускается, что сосуд 12 может нагреваться другими средствами, например, топливокислородными горелками, расположенными над ванной, электродугой и т.п. На сосуд 12 могут быть установлены цапфы 34 для кантовки сосуда 12. Уплотнение 36 установлено между сосудом 12 и газоотводом горячего газа 16 и позволяет частично поворачивать сосуд 12 на цапфах 34 без разрушения уплотнения 36 газоотвода горячего газа 16.

Сосуд 12 может быть сосудом оригинальной конструкции либо сосудом обычной конструкции. Примерами подходящих сосудов, оборудованных соответствующими средствами инжекции, являются К-ВОР (Kawasaki Basic Oxyder steelmaking Process vessel конвертер фирмы "Кавасаки" для производства стали по кислородно-конвертерному процессу), Q-BOP (Quiscent Bottom-blow steelmaking Process vessel конвертер для производства стали по процессу КИВЦЕТ с подачей кислорода через днище конвертера) AOD (argon-oxyger decarbonijarion furrace конвертер с аргонно-кислородным обезуглероживанием), EAF (Electric Arc Furnace дуговая электропечь) и т.д. которые оборудованы соответствующими средствами для верхнего и нижнего дутья и средствами загрузки через колошник, известными из обычного опыта производства стали.

Ванна расплавленного металла 44 расположена внутри сосуда 12. Ванна расплавленного металла 44 включает первую фазу расплавленного металла 46. Первая фаза расплавленного металла 46 состоит из металла с большей свободной энергией окисления при условиях системы ванны расплавленного металла 44, чем свободная энергия превращения атомарного углерода в моноксид углерода. Атомарный углерод достаточно растворим в первой фазе расплавленного металла 46. В ванне расплавленного железа за счет управляемой подачи углеродсодержащего питания и кислорода поддерживается динамический баланс углерода в диапазоне примерно от примерно 0,5% углерода до примерно 6% углерода, предпочтительно от примерно 2% до примерно 3%
Подходящими металлами для первой фазы расплавленного металла 46 могут быть, например, железо, хрома, марганец и др. Допускается, что первая фаза расплавленного металла 46 может включать более чем один металл. Например, первая фаза расплавленного металла 46 может включать раствор металлов, в котором атомарный углерод имеет значительную растворимость. Допустимо также, чтобы первая фаза расплавленного металла 46 содержала оксиды металлов первой фазы расплавленного металла 46.

Ванна расплавленного металла 44 содержит также вторую фазу расплавленного металла 48. Вторая фаза расплавленного металла 48 существенно не смешивается с первой фазой расплавленного металла 46. Вторая фаза расплавленного металла 48 включает металл с большей свободной энергией окисления при условиях системы ванны расплавленного металла 44, чем свободная энергия превращения моноксида углерода в диоксид углерода. Растворимость радикала свободного углерода во второй фазе расплавленного металла 48 ниже, чем в первой фазе расплавленного металла 46. В одном из вариантов настоящего изобретения растворимость атомарного углерода во второй фазе расплавленного металла находится в диапазоне до примерно одного процента по массе.

Подходящими металлами для второй фазы расплавленного металла 48 могут быть, например, медь, никель, кобальт и др. Допускается, что вторая фаза расплавленного металла 48 может включать более чем один металл. Например, вторая фаза расплавленного металла 48 может включать раствор металлов, в котором атомарный углерод менее растворим, чем в первой фазе расплавленного металла 46. Допустимо также, чтобы первая фаза расплавленного металла 48 содержала оксиды металлов первой фазы расплавленного металла 48.

Ванна расплавленного металла 44 может быть образована путем, по крайней мере частичного заполнения сосуда 12 металлами, подходящими для первой фазы расплавленного металла 46 и второй фазы расплавленного металла 48. Эти металлы затем нагреваются до подходящей температуры путем активации индукционной катушки 32 или другими средствами, не показанными на фигуре. В ходе нагрева металлы плавятся и разделяются с образование первой фазы расплавленного металла 46 и второй фазы расплавленного металла 49. Для достижения несмешения фаз может оказаться необходимой добавка какого-либо реагента. По одному из вариантов настоящего изобретения вязкость ванны расплавленного металла 44 не превышает примерно 0,01 н.c/м² (10 сантипуаз). Однако допускается, чтобы образовывались более чем две фазы расплавленного металла. Число фаз расплавленного металла и металлы, входящие в фазу расплавленного металла могут быть выбраны из условия переноса тепла, массы и химической энергии между фазами расплавленного металла с тем, чтобы образовывались подходящие вещества, которые термодинамически стабильны при условиях ванны расплавленного металла 44.

Подходящие условия в системе ванны расплавленного металла 44 включают температуру и парциальное давление кислорода в ванне расплавленного металла 44, достаточные для того, чтобы свободная энергия окисления металла в первой фазе расплавленного металла 46 превысила свободную энергию превращения радикалов свободного углерода в моноксид углерода, и чтобы свободная энергия окисления металла во второй фазе расплавленного металла 48 превысила свободную энергию превращения моноксида углерода в диоксид углерода. Температура ванны расплавленного металла 44 достаточна также для того, чтобы ванна расплавленного металла 44 была текуча и чтобы эта температура вела к тому, чтобы ванна расплавленного металла 44 каталитически превращала углерод, присутствующий в подходящем углеродсодержащем питании, в атомарный углерод.

По одному из вариантов настоящего изобретения на ванне расплавленного металла 44 располагается стекловидный слой 50. Стекловидный слой 50 существенно не смешиваем с ванной расплавленного металла 44. Стекловидный слой 50 состоит по крайней мере из одного оксида металла, металл которого имеет при условиях ванны расплавленного металла 44 меньшую свободную энергию окисления, чем свободная энергия окисления атомарного углерода в моноксид углерода.

Растворимость углерода и моноксида углерода в стекловидном слое 50 может быть меньше, чем растворимость первой фазы расплавленного металла 48, для того, чтобы тем самым удерживать атомарный углерод и свободный радикал моноксида углерода в ванне расплавленного металла 44.

По другому варианту настоящего изобретения стекловидный слой 50 имеет меньшую теплопроводность, чем теплопроводность ванны расплавленного металла 44. Тем самым радиационные потери тепла от ванны расплавленного металла 44 снижаются по сравнению с радиационной потерей тепла от ванны расплавленного металла 44, не имеющей стекловидного слоя.

Примерами подходящих оксидов металлов являются окись титана (TiO), окись циркония (ZrO₂), окись алюминия (Al₂O₃, окись магния (MgO), окись кальция (CaO) и т.д. Примерами других подходящих компонентов стекловидного слоя 50 являются галогены, сера, фосфора, тяжелые металлы и т.д. Допускается, чтобы стекловидный слой 50 включал более одного оксида металла. Стекловидный слой 50 текуч, а свободные радикалы и другие газы из ванны расплавленного металла 44 могут проходить через стекловидный слой 50.

Стекловидный слой 50 образуют путем подачи подходящих компонентов, таких как металлы, оксиды металлов, галогены, сера, фосфор, тяжелые металлы, флюсы, шламы и т.д. из источника флюса 42 через подающую трубу 40 на ванну и в ванну расплавленного металла 44, либо из-под поверхности ванны так, как это известно из современного уровня развития техники. Оксиды из указанных компонентов образуют путем введения компонентов в контакт с кислородным газом, подаваемым в сосуд 12, либо путем введения в реакцию других веществ, стабильных в условиях системы, с другими менее стабильными компонентами, такими как катионы щелочного или щелочноземельного металла. Примерами таких стабильных реагирующих веществ являются фторид кальция (CaF₂) и фосфат магния (Mg(PO)₂). Тонкий стекловидный слой 50 способствует прохождению свободных радикалов диоксида углерода и моноксида углерода, а также других газообразных веществ через стекловидный слой 50 к газовому слою 51.

Газовая фаза 51 образуется над ванной расплава 44 либо, в случае присутствия стекловидного слоя 50, над стекловидным слоем 50. В тех случаях, когда химические реакции в газовой фазе 51 делают это целесообразным, газовая фаза 51 может включать в себя кислород, подаваемый в верхнюю часть 17 сосуда 12 от источника кислорода 22 через вторую трубу подачи кислорода 38. По одному из вариантов настоящего изобретения газовая фаза 51 может также включать газ, образовавшийся в ванне расплавленного металла 44 и в стекловидном слое 50. Свободные радикалы, образовавшиеся в ванне расплавленного металла 44 и в стекловидном слое 50, могут вступать в реакцию с кислородом, присутствующим в газовой фазе 51, или с другими веществами, предпочтительно органическими, проходящими через газовую фазу 51. Газы в газовой фазе 51 выводятся из сосуда 12 через газоотвод горячего газа 16 пригодными для этого средствами. Подача кислорода в сосуд 12 через вторую трубу подачи кислорода 38 и удаление газа из сосуда 12 через газоотвод горячего газа 16 осуществляют в количествах, обеспечивающих парциальное давление кислорода в сосуде 12, достаточное для каталитического превращения углерода, присутствующего в углеродсодержащем питании, в атомарный углерод, и превращение атомарного углерода в диоксид углерода.

По одному из вариантов настоящего изобретения углеродсодержащий питающий газ и кислород подают из источника углеродсодержащего питающего газа 28 и источника кислорода 22 через фурму 18 в ванну расплавленного металла 44 в нижней части 19 сосуда 12. Углеродсодержащий питающий газ вводят в контакт с ванной расплавленного металла 44, тем самым подвергая его условиям, достаточным для каталитического превращения углерода, присутствующего в углеродсодержащем питании, в атомарный углерод.

Термин "каталитическое превращение", используемый здесь, означает, что ванна расплавленного металла 44 существенно ослабляет связи между атомами в углеродсодержащем питании, что способствует разрыву связей и в условиях системы ванны расплава ведет к превращению углерода в атомарный углерод.

Примерами подходящих углеродсодержащих питающих газов являются углеводороды и т.п. Помимо углерода, углеродсодержащее питание 52 может содержать другие атомарные составляющие, такие как водород, галиды и металлы.

Углеродсодержащий питающий газ и кислород подают через фурму 18 одновременно и совместно. По одному из вариантов настоящего изобретения кислород и углеродсодержащий питающий газ подают к ванне расплавленного металла 44 в количествах, достаточных для образования эмульсии из несмешивающихся первой фазы расплавленного металла 46 и второй фазы расплавленного металла 48. Радикалы, не содержащие углерод, образуются в первой фазе расплавленного металла 46 и второй фазе расплавленного металла 48.

В другом варианте настоящего изобретения первая фаза расплавленного металла 46 может образовывать нижний слой, а вторая фаза расплавленного металла 48 может образовывать верхний слой ванны расплавленного металла 44, прилегающий к первой фазе расплавленного металла 46 и находящийся выше нее. Стекловидный слой 50 прилегает к верхнему слою второй фазы расплавленного металла 48 ванны расплавленного металла 44 и находится выше него.

Атомарный углерод менее растворим во второй фазе расплавленного металла 48, чем в первой фазе расплавленного металла 46. Контакт между первой фазой расплавленного металла 46 и второй фазой расплавленного металла 48 позволяет осуществлять перенос атомарного углерода из второй фазы расплавленного металла 48 в первую фазу расплавленного металла 46. Таким образом, существенная часть атомарного углерода, образованная за счет превращения углерода, присутствующего в углеродсодержащем питающем газе, накапливается в первой фазе расплавленного металла 46.

Помимо атомарного углерода, образуются и свободные радикалы других атомарных составляющих углеродсодержащего питающего газа. Эти другие свободные атомарные радикалы могут по крайней мере частично растворяться в первой фазе расплавленного металла 46, второй фазе расплавленного металла 48 или в стекловидном слое 50. Относительное количество атомарного радикала, растворенного в расплавленных металлах и стекловидном слое 50, зависит от относительной растворимости каждого из этих элементов в указанных металлах и других компонентах, избранных для включения в ванну расплавленного металла 44 и стекловидный слой 50. Свободные радикалы могут экзотермически реагировать с другими компонентами в ванне расплавленного металла 44 и в стекловидном слое 50, вырабатывая тем самым тепло и образуя продукты реакций, которые стабильны при условиях ванны расплавленного металла 44 и внутри ванны расплавленного металла 44 или стекловидного слоя 50.

В другом случае свободные радикалы, отличные от углерода, могут быть существенно нерастворимы в ванне расплавленного металла 44 и стекловидном слое 50, за счет чего свободные радикалы мигрируют в ванне расплавленного металла 44 и стекловидном слое 50 к газовому слою 51, находящемуся над стекловидным слоем 50. Кислород, подаваемый в верхнюю часть 17 сосуда 12 через вторую трубу подачи кислорода 38, контактирует со свободными радикалами и вступает в реакцию со свободными радикалами, образуя газообразные оксиды. Газообразные оксиды удаляются из сосуда 12 через газоотвод горячего газа 16.

Кроме того, свободные радикалы, включая триплетный моноксид углерода, могут способствовать образованию из углеродсодержащего питания других свободных радикалов.

В другом варианте настоящего изобретения нетоксичное и частично токсичное углеродсодержащее питание 52 подается в систему ванны расплава 10 через загрузочное отверстие 14. Примерами углеродсодержащего питания 52, пригодного для подачи в систему ванны расплава 10 через загрузочное отверстие 14, являются бумага, дерево, шины, уголь и т.п. Вместе с углеродсодержащим питанием 52 можно также подавать неорганические вещества. Примерами подходящего неорганического питания являются, но не ограничены ими, металлы и их оксиды; сульфиды и галиды. Питание, подаваемое через загрузочное отверстие 14, может иметь твердую либо жидкую форму. Кроме углерода, углеродсодержащее питание 52 может включать другие атомарные составляющие, такие как водород, галиды, металлы и т.д.

Углеродсодержащие питание 52, подаваемое через загрузочное отверстие 14, контактирует со стекловидным слоем 50, если стекловидный слой присутствует, или с ванной расплавленного металла 44. Контакт углеродсодержащего питания с ванной расплавленного металла 44 либо со стекловидным слоем 50 подвергает углеродсодержащее питание воздействию условий, достаточных для превращения углерода, присутствующего в углеродсодержащем питании, в атомарный углерод, и для превращения других атомарных составляющих в их соответствующие стабильные формы, определяемые условиями ванны.

Превращение углерода и других атомарных составляющих в их свободные радикалы можно вызвать, подвергнув углеродсодержащее питание воздействию радикала углерода и других свободных радикалов, уже превращенных из своих атомарных составляющих в углеродсодержащем питании; каталитическим превращением во время контакта с ванной расплавленного металла 44; либо обоими этими способами.

Существенная часть атомарного углерода мигрирует через стекловидный слой и вступает в контакт с ванной расплавленного металла 44. Другие составляющие либо реагируют с кислородом в газообразном слое с образованием газообразных оксидов, которые растворяются в стекловидном слое 50, либо растворяются в ванне расплавленного металла 44. Относительное количество химических составляющих, включая свободные радикалы, в стекловидном слое 50, в первой фазе расплавленного металла 46 и во второй фазе расплавленного металла 48 по крайней мере частично зависит от относительной растворимости каждого из химических составляющих в металлах, оксидах металлов и в других компонентах, избранных для применения в системе ванны расплава 10.

По одному из вариантов настоящего изобретения растворимость атомарного углерода в стекловидном слое 50 и во второй фазе расплавленного металла 48 меньше, чем в первой фазе расплавленного металла 46. Вследствие этого атомарный углерод при контакте с первой фазой расплавленного металла 46 предпочтительно растворяется в первой фазе расплавленного металла 46. Вследствие этого значительная часть атомарного углерода, образованного в системе ванны расплава 10, поступает в первую фазу расплавленного металла 46.

По крайней мере часть кислорода, подаваемого в нижнюю часть 19 сосуда 12 через фурму 18, контактирует с первой фазой расплавленного металла 46 и с атомарным углеродом, растворенным в первой фазе расплавленного металла 46. По одному из вариантов настоящего изобретения стехиометрическое отношение кислорода, подаваемого в систему ванны расплава 10, к окисляемой части углеродсодержащего питания больше чем примерно 1:1. По крайней мере часть кислорода, контактирующего с первой фазой расплавленного металла 46 и с атомарным углеродом, растворенным в первой фазе расплавленного металла 46, реагирует с атомарным углеродом с образованием моноксида углерода, поскольку свободная энергия окисления металла в первой фазе расплавленного металла 46 больше, чем свободная энергия окисления атомарного углерода с образованием моноксида углерода.

Образование моноксида углерода в первой фазе расплавленного металла 46 и контакт первой фазы расплавленного металла 46 со второй фазой расплавленного металла 48 приводит к тому, что существенная часть образовавшегося моноксида углерода мигрирует ко второй фазе расплавленного металла 48. Существенная часть моноксида углерода во второй фазе расплавленного металла 48 контактирует по крайней мере с частью кислорода, подаваемого к ванне расплавленного метала 44 через фурмы 18, и реагирует с кислородом, образуя диоксид углерода, поскольку свободная энергия окисления металла во второй фазе расплавленного металла 48 больше, чем свободная энергия окисления моноксида углерода с образованием диоксида углерода.

Образование диоксида углерода во второй фазе расплавленного металла 48 приводит к тому, что существенная часть образовавшегося диоксида углерода мигрирует, например, диффундируя, из второй фазы расплавленного металла 48 через стекловидный слой 50 к газовому слою 51. Диоксид углерода в газовом слое 51 затем удаляется из системы ванны расплава 10 через газоотвод горячего газа 16.

Теплота, выделяемая экзотермической реакцией превращения атомарного углерода в моноксид углерода и экзотермической реакцией превращения моноксида углерода в диоксид углерода, может обеспечить тепло, необходимое для эндотермического образования атомарного углерода и других атомарных составляющих углеродсодержащего питания. Экзотермическая реакция других свободных радикалов, образовавшихся из других атомарных составляющих углеродсодержащего питания, также может обеспечить поступление тепла для поддержания процесса образования свободных радикалов и для других эндотермических реакций в ванне расплавленного металла 44, в стекловидном слое 50 и в газовом слое 51.

Тепло, выделяемое экзотермическими реакциями, такими как образование моноксида углерода и диоксида углерода, в ванне расплавленного металла 44, в стекловидном слое 50 и в газовом слое 51, может отводиться из системы ванны расплава 10. По одному из вариантов настоящего изобретения тепло проходит через стенку сосуда 54 к катушке 56, покрытой подходящей изоляцией 58, и содержащей подходящую теплопередающую среду, например, воду или жидкий металл. Теплопередающую среду вынуждают циркулировать через катушку, посредством чего тепло от ванны расплавленного металла 44 передается к средствам выработки энергии. Примером подходящих средств выработки энергии является паровая турбина.

По другому варианту настоящего изобретения первая фаза расплавленного металла 46 включает в себя железо, а вторая фаза расплавленного металла 48 включает в себя медь. В условиях кивцетной плавки первая фаза расплавленного металла 46 образует верхний слой, а вторая фаза расплавленного металла 48 образует нижний слой, прилегающий к верхнему слою и лежащий сразу под ним. Расплавленная медь и расплавленное железо образуют разные слои, поскольку они существенно не смешиваемы друг с другом и имеют разные плотности. Турбулентность и перемешивание в ванне расплавленного металла превращает указанную систему в эмульсию. Температура первой фазы расплавленного металла 46 и температура второй фазы расплавленного металла 48 составляет примерно 1400^oC (2500^oF). Стекловидный слой 50 включает в себя окись кальция (CaO), двуокись кремния (SiO₂) и окись алюминия (Al₂O₃). Обычно количество окиси кальция в стекловидном слое 50 составляет примерно 40% двуокиси кремния примерно 40% окиси алюминия примерно 20%
Стекловидный слой 50 примыкает к верхнему слою расплавленного металла 46 и расположен непосредственно выше него. В нижний слой через фурму 18 непрерывно и совместно подают хлорбензол C₆H₅Cl (в качестве углеродсодержащего питающего газа) и кислород. Углерод, водород и хлор, содержащиеся в хлорбензоле, под воздействием расплавленного железа каталитически превращаются в свободные радикалы углерода, водорода и хлора. Подача кислорода в нижний слой приводит к тому, что атомарный углерод вступает в реакцию с кислородом с образованием моноксида углерода. Реакция атомарного углерода с кислородом экзотермична, что ведет к выделению тепла, расходуемого на поддержание эндотермического каталитического превращения хлорбензола в свободные радикалы углерода, водорода и хлора. Как видно из фиг. 2, при температуре выше, чем примерно 700^oC, энергия окисления железа превышает энергию превращения атомарного углерода в моноксид углерода. Вследствие этого по крайней мере часть кислорода, поступившего к расплавленному железу, скорее вступит в реакцию с атомарным углеродом с образованием моноксида углерода, чем образует закись железа (FeO).

Накапливание моноксида углерода в расплавленном железе, вызванное непрерывной совместной подачей хлорбензола и кислорода к расплавленному железу, а также контакт между расплавленным железом ведет к миграции моноксида углерода от расплавленного железа к расплавленной меди. Таким образом по крайней мере часть кислорода, поступившего к расплавленному железу, будет мигрировать от фазы расплавленного железа к фазе расплавленной меди.

Как видно из фиг. 2, при температуре ванны расплавленного металла 44, свободная энергия окисления меди превышает свободную энергию окисления моноксида углерода с образованием диоксида углерода, а также свободную энергию окисления водорода с образованием воды (H₂O). Вследствие этого по крайней мере часть кислорода, содержащегося фазе расплавленной меди, скорее вступит в реакцию с моноксидом углерода с образованием диоксида углерода и с водородом с образованием воды, чем вступит в реакцию с медью с образование закиси меди (Cu₂O).

Атомарный углерод менее растворим в меди, чем в железе. Следовательно, атомарный углерод будет предпочтительно растворяться в фазе расплавленного железа, а не в фазе расплавленной меди. Меньшая растворимость углерода в расплавленной меди, чем в расплавленном железе, делает возможным образование диоксида углерода из моноксида углерода, свободная энергия окисления которого выше, чем свободная энергия окисления атомарного углерода с образованием моноксида углерода. Равная растворимость атомарного углерода в обоих слоях не позволяла бы моноксиду углерода полностью прореагировать с образованием диоксида углерода, поскольку располагаемый для этого кислород предпочтительно реагировал бы с атомарным углеродом с образованием моноксида углерода. Таким образом, меньшая растворимость углерода в расплавленной меди, чем в расплавленном железе, делает возможным в фазе расплавленной меди существенно полное протекание реакции моноксида углерода с образованием диоксида углерода. Затем диоксид углерода в виде газа покидает расплавленную медь и направляется через стекловидный слой 50 в газовый слой 51, где происходит его удаление из системы ванны расплава 10 через газоотвод горячего газа 16.

В фазе расплавленной меди свободные радикалы водорода могут также быть превращены в свободные радикалы гидроокиси (ОН). Свободные радикалы гидроокиси могут быть направлены из фазы расплавленной меди в стекловидный слой 50 и в газовый слой.

Свободные радикалы хлора, образовавшиеся в ванне расплавленного металла 44, могут мигрировать, например, путем диффузии, через ванну расплавленного металла 44 в стекловидный слой 50, где они могут вступать в реакцию с окисью кальция с образованием хлорида кальция (CaCl₂ ). Свободные радикалы хлора могут также быть направлены в газовый слой для того, чтобы они способствовали превращению углеродсодержащего питания, подаваемого в систему ванны расплава 10 через загрузочное отверстие 14.

В связи с вышеизложенным понятно, что первая фаза расплавленного металла 46 и вторая фаза расплавленного металла 48 системы ванны расплава 10 могут быть выбраны таким образом, чтобы растворимость других атомарных составляющих, например водорода, была во второй фазе расплавленного металла 48 выше, чем в первой фазе расплавленного металла 46. Специалистам в данной области понятно, что соотношение между диоксидом углерода и водой, образовавшимися во второй фазе расплавленного металла 48, определяется относительными скоростями реакций, а также другими физико-химическими характеристиками, описывающими вторую фазу расплавленного металла 48. Металлы могут быть выбраны также и так, чтобы свободная энергия окисления в первой фазе расплавленного металла 46 была меньше, чем свободная энергия окисления свободных радикалов атомарных составляющих, например, водорода, с образованием, например, воды, а свободная энергия окисления металла во второй фазе расплавленного металла 48 была больше, чем свободная энергия окисления свободного радикала водорода.

Основная идея настоящего изобретения связана с каталитическим извлечением растворимых химических веществ из некоторых попадающих в отходы материалов, содержащих водород, углерод, галиды, металлы и т.п. в сопутствующие фазы соответствующего химического состава. Перенос массы, химической энергии и латентного тепла через фазовые границы достигается путем превращения этих веществ в химические комплексы, обладающие меньшей растворимостью в порождающей их фазе, и предпочтительной растворимостью в другой (других) фазах, составляющих реакционную систему. Для этой цели пригодна подача реагентов, содержащих кислород, водород, галиды, серу и металлы.

Распределение и передача массы, тепла и химической энергии в сопутствующих фазах будут определяться относительными растворимостями химических структурных единиц в каждой фазе, и химическими условиями, действию которых подвергаются химические комплексы со стороны ассоциированной фазы. Ассоциированное поведение любой фазы, и, следовательно, химические условия в ней определяются присущими ей характеристическими физико-химическими свойствами. При определении свойств обычно используют такие показатели, как состав, температура и давление. Если условия, определенные физико-химическими свойствами порождающей фазы, не позволяют химической энергии высвобождаться в этой фазе, то эта (потенциальная) энергия все-таки может быть высвобождена в других сопутствующих фазах, если только их химические свойства будут благоприятствовать этому. Как было показано ранее, химические свойства могут быть изменены путем изменения состава, включая введение реагирующего вещества, изменением температуры, давления и т.п.

В качестве примера рассмотрим реакционную систему, содержащую Cr в фазе 1; Cu в фазе 2; оксиды металлов, например, CaO, SiO₂, Al₂O₃ в фазе 3; остатки газа в пространстве, расположенном непосредственно над фазой 3 и в контакте с ней в фазе 4. Инжекция хлорбензола в фазу 1 приведет к каталитической экстракции этой фазой С, H, Cl. Перенос этих химических структурных единиц и связанных с ними энергий в смежные фазы осуществляется инжекцией реагирующего вещества. Введение в фазу 1 O₂ экзотермически превращает С в СО и переносит СО в фазу 2. Присутствие кислорода в фазе 2 экзотермически превращает СO в CO₂, а растворенный водород Н в ОН. Эти химические структурные единицы могут проходить через фазу 3 в фазу 4, в которой радикал ОН все еще содержит химическую энергию, поскольку является радикалом. Если химические условия в фазе 2 агрессивны по отношению к гидроксильному радикалу ОН, то он в фазе 2 может вступать в последующую реакцию с образованием H₂O и сопутствующим ей высвобождением энергии. Хлор, проходящий через фазу 3, может быть захвачен в форме CaCl₂, присутствующим в фазе 3 (или введенным в качестве реагирующего вещества) CaO. При желании можно позволить хлору пройти в фазу 4 для того, чтобы за счет реакции свободных радикалов ускорить декомпозицию веществ, присутствующих в фазе 4.

Вышеописанная реакционная система за счет точного подбора парциальных давлений кислорода позволяет осуществлять перенос термически возбужденного СО из фазы 1 в фазу 2, а при желании и в фазы 3 и 4. Перенос СO из одной фазы в другую, при котором окисление происходит в последней фазе, вызывает перенос энергии из первой фазы во вторую фазу. Когда химические условия фазы 4 способствуют характеру радикала, то поступление СО в фазу 4, начиная процесс превращения и декомпозиции материалов с выделением тепла, дает ей возможность действовать в качестве "радикального" очистителя. Когда энтальпия окружающей среды возбуждает моноксид углерода и приводит его в триплетное состояние, то он известным способом может также извлекать водород (и другие атомы). Известно, что триплетные состояния (с непарными электронами) проявляют свойства, характерные для незаполненной оболочки или свободных радикалов.

Основную идею настоящего изобретения можно еще раз проиллюстрировать следующим примером. Создав реакционную среду с недостатком кислорода непосредственно над и в контакте с границей "расплав газ" (фаза n), введением в ванну воды и других водородсодержащих веществ достигнем образования в фазе n одноатомных атомов водорода и кислорода (Н и О) и гидроксильного радикала. Эти реакционноспособные химические структурные единицы, образовавшиеся в жидкой фазе, быстро будут мигрировать из фазы n-1 и инициируют этап декомпозиции органических материалов, проходящих через фазу n. Мы предпочитаем поддерживать химическую воду, в которой присутствуют возбужденные атомы и радикалы, что служит цели захвата концевых атомов, например, водорода, или для инициирования каталитического гомолитического разрыва связей в выбранном материале. Распространение новых свободных радикалов, образовавшихся в результате этих захватов и разрывов, усиливает распространение новых свободных радикалов, которые могут соединяться с дикислородом, поддерживая связанные с этим реакции превращения. Известно также, что атомы кислорода могут внедряться в ковалентные химические связи в материалах с выделением тепла, соответствующего энергии разрыва связей ковалентных C-O, H-O, N-O и т.д.

Реферат

Изобретение касается способа каталитической переработки углеродсодержащего сырья в ванне расплавленного металла. Сущность изобретения: подают углеродсодержащее сырье в ванну расплавленного металла. Ванна расплавленного металла имеет первую фазу расплавленного металла, содержащую металл с большей свободной энергией окисления при условиях ванны расплавленного металла, чем свободная энергия окисления атомарного углерода в моноксид углерода, и в которой атомарный углерод достаточно растворим; и вторую фазу расплавленного металла, содержащую металл с большей свободной энергией окисления, чем свободная энергия окисления моноксида углерода с образованием диоксида углерода. Осуществляют подачу кислородсодержащего газа в ванну расплавленного металла и разложение углеродсодержащего сырья. 10 з.п.ф-лы, 2 ил.

Формула