DE69313113T2

DE69313113T2 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von organischen abfallstoffen

Info

Publication number: DE69313113T2
Application number: DE69313113T
Authority: DE
Inventors: Casey Mcgeever; Christopher Nagel; Kevin Sparks
Original assignee: Molten Metal Technology Inc
Current assignee: Molten Metal Technology Inc
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2013-06-09
Also published as: RU94046339A; WO1993025278A1; AU4409293A; MD960311A; DE69313113D1; EP0644788A1; EP0644788B1; ATE156716T1; BR9306673A; JPH07507593A; AU668736B2; CA2136073A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

-Die Beseitigung von organischem Abfall in Deponien und durch Verbrennen wird immer schwieriger, da weniger Raum für die Errichtung von Deponien zur Verfügung steht, Richtlinien und Verordnungen strenger geworden sind und die Öffentlichkeit schärfer auf die Gefahren gefährlicher Stoffe für die Umwelt achtet. Durch Abgabe gefährlicher, organischer Abfälle an die Umwelt können Luft- und Wasserversorgung belastet und die Lebensqualität der Bevölkerung beeinträchtigt werden.
Um die Auswirkungen der Beseitigung organischer Abfälle auf die Umwelt zu minimieren, müssen Verfahren zur Umwandlung solcher Abfälle in harmlose, vorzugsweise nützliche Stoffe entwickelt werden. In die Entwicklung verschiedener Verfahren für die Behandlung von gefährlichen, organischen Abfällen ist daher viel investiert worden. Eins der vielversprechendsten neuen Verfahren ist in den U.S. Patenten 4,574,714 und 4,602,574 (Bach und Nagel) beschrieben worden. Das Bach/Nagel-Verfahren zur Vernichtung von organischem Material, einschließlich giftiger Abfälle, umfaßt die Zerlegung des organischen Materials in seine atomaren Bestandteile in einer Metallschmelze und Umbildung der atomaren Bestandteile in umweltverträgliche Produkte, einschließlich Wasserstoff-, Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidgase.
Die vorliegende Erfindung entspricht den Ansprüchen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von wasserstoff- und kohlenstoffhaltigem, organischem Abfall in einer Metallschmelze, bei dem angereicherte Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströme gebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird organischer Abfall, der Wasserstoff und Kohlenstoff enthält, in eine Metallschmelze in einem Aufkohlungsreaktor (Karbonisierungsreaktor) eingeleitet, und zwar ohne gesonderte Zufuhr eines Oxidationsmittels und unter Bedingungen, die es erlauben, den organischen Abfall zu zersetzen, Wasserstoffgas zu erzeugen und die Metallschmelze zu karbonisieren (auf zukohlen). Die karbonisierte Metallschmelze wird aus dem Aufkohlungsreaktor in einen Auskohlungsreaktor (Entkarbonisierungsreaktor) geleitet. In die karbonisierte Metallschmelze im Auskohlungsreaktor wird ein Oxidationsmittel eingeleitet, um den darin enthaltenen Kohlenstoff zu oxidieren und so die Metallschmelze auszukohlen und einen angereicherten Kohlenoxidgasstrom zu erzeugen. Die ausgekohlte Metallschmelze wird dann aus dem Auskohlungsreaktor in den Aufkohlungsreaktor geleitet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Ziel, das Verhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid im angereicherten Kohlenoxidgasstrom deutlich zu erhöhen, wird der organische Abfall in eine Metallschmelze in einem Aufkohlungsreaktor eingeleitet, und zwar ohne gesonderte Zufuhr eines Oxidationsmittels und unter Bedingungen, die es erlauben, den organischen Abfall zu zersetzen, Wasserstoffgas zu erzeugen und die Metallschmelze zu karbonisieren. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Metallschmelze aus zwei nichtmischbaren Metallen, wobei die freie Oxidationsenergie des ersten nichtmischbaren Metalls größer ist als bei der Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und die freie Oxidationsenergie des zweiten nichtmischbaren Metalls größer ist als bei der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die freien Energien dieser beiden nichtmischbaren Metalle gelten für die Bedingungen, unter denen das Verfahren durchgeführt wird. Die karbonisierte Metallschmelze wird aus dem Aufkohlungsreaktor in einen Auskohlungsreaktor geleitet. In die karbonisierte Metallschmelze im Auskohlungsreaktor wird ein Oxidationsmittel eingeleitet, um den darin enthaltenen Kohlenstoff zu oxidieren und so die Metallschmelze auszukohlen und einen angereicherten Kohlenoxidgasstrom mit einem höheren Kohlendioxid/Kohlenmonoxidverhältnis zu erzeugen. Die ausgekohlte Metallschmelze wird dann aus dem Auskohlungsreaktor in den Aufkohlungsreaktor geleitet.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Aufkohlungsreaktor mit einem Einlaß für die Metallschmelze, einem Auslaß für die Metallschmelze, einem Auslaß für das Wasserstoffabgas und einer Vorrichtung zum Einspritzen des organischen Abfalls in die Metallschmelze im Aufkohlungsreaktor. Zu der Vorrichtung gehört außerdem ein Auskohlungsreaktor mit einem Einlaß und einem Auslaß für die Metallschmelze, einem Auslaß für das Kohlenoxidabgas, Vorrichtungen für das Leiten der karbonisierten Metallschmelze aus dem Aufkohlungsreaktor in den Auskohlungsreaktor und die Rückführung der Metallschmelze aus dem Auskohlungsreaktor in den Aufkohlungsreaktor sowie Vorrichtungen zum Einspritzen eines Oxidationsmittels in den Auskohlungsreaktor.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, organischen Abfall so zu behandeln, daß ein angereicherter Wasserstoffgasstrom und ein separater, angereicherter Kohlenoxidgasstrom, der z. B. aus Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid oder aus beiden besteht, gebildet werden. Angereicherte Wasserstoff- und/oder Kohlenoxidgasströme sind häufig erwünscht. Ein angereicherter Wasserstoffgasstrom ist z. B. besonders nützlich für die Synthese von Ammoniak oder Oxoalkohol sowie für Hydrierungs- oder Entschwefelungsverfahren. Wasserstoff ist außerdem ein ausgezeichneter 'sauberer' Energieträger ohne 'Treibhauseffekt'.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems, mit dem nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aus organischem Abfall in einer Metallschmelze angereicherte Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströme gebildet werden.
Abbildung 2 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Systems, mit dem nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aus organischem Abfall in einer Metallschmelze angereicherte Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströme gebildet werden.
Abbildung 3 ist eine schematische Darstellung eines dritten Systems, mit dem nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aus organischem Abfall in einer Metallschmelze gleichzeitig angereicherte Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströme gebildet werden.
Abbildung 4 ist eine schematische Darstellung eines vierten Systems, mit dem nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aus organischem Abfall in einer Metallschmelze gleichzeitig angereicherte Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströme gebildet werden.
Abbildung 5 ist ein Diagramm der freien Energien für die Oxidation von Nickel, Eisen und Kohlenstoff bei unterschiedlichen Temperaturen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend unter Einbeziehung der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und in den Ansprüchen dargelegt. Die einzelnen Ausführungsarten der Erfindung sind selbstverständlich als Beispiele zu verstehen und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar. Die Hauptmerkmale der Erfindung lassen sich in verschiedenen Ausführungsarten anwenden, die alle in den Schutzbereich des Patents fallen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von organischem, wasserstoff- und kohlenstoffhaltigem Abfall in einer Metallschmelze zur separaten Bildung von angereicherten Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströmen. Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung des in den US Patenten 4,574,714 und 4,602,574 offengelegten Verfahrens von Bach und Nagel.
Eine Ausführungsart der Erfindung ist in Abbildung 1 dargestellt. Zu dem dargestellten System 10 gehört ein Aufkohlungsreaktor 12 und ein Auskohlungsreaktor 14. Geeignete Reaktoren sind z. B. entsprechend modifizierte Behälter, die für die Stahlerzeugung verwendet werden und in der Fachwelt als Argon/Sauerstoff-Entkohlungsöfen (AOD), BOF, RH-Entgaser, usw. bekannt sind. Durch Auslaß 16 wird angereichertes Wasserstoffabgas aus dem oberen Teil des Aufkohlungsreaktors 12 entfernt.
Der organische Abfall wird durch ein Einlaßrohr 18, zu dem auch der Einlaß 20 gehört, in den unteren Teil des Aufkohlungsreaktors 12 geführt. Leitung 22 verbindet die organische Abfallquelle 24 mit dem Einlaßrohr 18. In Leitung 22 befindet sich eine Pumpe 26, die den organischen Abfall von der Quelle 24 durch das Einlaßrohr 18 in die Metallschmelze im Aufkohlungsreaktor 12 pumpt.
Selbstverständlich können auch mehrere Rohre zum Einleiten des organischen Abfalls im unteren Teil des Aufkohlungsreaktors 12 angeordnet sein. Der organische Abfall kann außerdem durch Öffnung 28 oder Leitung 30 in den oberen Teil des Aufkohlungsreaktors 12 eingeleitet werden. Ebenfalls geeignet für das Einspritzen von organischem Abfall in die Metallschmelze im Aufkohlungsreaktor 12 ist eine Lanze (nicht abgebildet).
Über eine Bodenabstichrinne 32 im unteren Teil des Aufkohlungsreaktors 12 wird geschmolzenes Metall aus dem Reaktor entfernt. Für die Entfernung von Material aus dem Aufkohlungsreaktor 12 können selbstverständlich auch andere, in der Fachwelt bekannte Verfahren verwendet werden.
Mit einer Induktionsspule 34 im unteren Teil des Aufkohlungsreaktors 12 wird das Metall im Reaktor erhitzt. Selbstverständlich kann der Aufkohlungsreaktor 12 auch anders aufgeheizt werden, z. B. durch Sauerstoffbrenner, Lichtbögen usw.
Im Aufkohlungsreaktor 12 befindet sich die Metallschmelze 36. In einem Ausführungsbeispiel enthält oder besteht die Schmelze 36 aus einem Metall, das unter den gewählten Verfahrensbedingungen eine freie Oxidationsenergie hat, die größer ist als bei der Umwandlung von atomarem Kohlenstoff in Kohlenmonoxid. Geeignete Metalle sind z. B. Chrom und Mangan. Die Metallschmelze 36 kann auch aus mehr als einem Metall bestehen, z. B. auch aus einer Lösung mischbarer Metalle, beispielsweise Eisen und Chrom.
Geeignet sind Metalle, deren Schmelzpunkte unter den Betriebsbedingungen des Systems liegen. Für den Aufkohlungsreaktor 12 wird z. B. eine Betriebstemperatur von ca. 1300 ºC bis ca. 1700 ºC bevorzugt.
Die Metalle müssen außerdem eine ausreichende Kohlenstoff löslichkeit besitzen, damit bei der Zersetzung des organischen Abfalls große Mengen Wasserstoff erzeugt werden können und die Metallschmelze karbonisiert wird.
-Bevorzugt werden folglich Metalle mit einer Kohlenstofflöslichkeit von über ca. 0,5 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt werden Metalle mit einer Kohlenstofflöslichkeit von über ca. 2 Gewichtsprozent. Wenn mehr als ein Metall verwendet wird, sollte mindestens eins die obengenannte Kohlenstofflöslichkeit aufweisen.
Häufig wird auch bevorzugt, daß die Viskosität der Metallschmelze im Aufkohlungsreaktor 12 und Auskohlungsreaktor 14 ca. 10 Centipoise unter den Betriebsbedingungen des Reaktors liegt.
Die Metallschmelze 36 wird gebildet, indem der Aufkohlungsreaktor 12 mindestens zum Teil mit einem geeigneten Metall gefüllt wird. Das Metall wird dann mit Hilfe der Induktionsspule 34 oder anderer geeigneter Mittel (nicht abgebildet) auf die erforderliche Temperatur erhitzt.
Im oberen Teil des Auskohlungsreaktors 14 befindet sich Auslaß 40, durch den das im Auskohlungsreaktor 14 erzeugte, angereicherte Kohlenoxidabgas in eine Sammelvorrichtung (nicht abgebildet) oder ein Entlüftungssystem geleitet wird.
Die Windform 42, zu der auch Rohr 44 zum Einspritzen eines Oxidationsmittels am Einlaß 46 gehört, befindet sich im unteren Teil des Auskohlungsreaktors 14. Leitung 48 verbindet Rohr 44, durch das Oxidationsmittel eingeleitet wird, mit der Oxidationsmittelquelle 50. Selbstverständlich können im unteren Teil des Auskohlungsreaktors 14 auch mehrere Rohre für das Einleiten von Oxidationsmittel in den Reaktor vorhanden sein. Auch andere Vorrichtungen für das Einleiten von Oxidationsmittel können allein oder in Kombination mit der Windform 42 verwendet werden.
Über eine Bodenabstichrinne 52 im unteren Teil des Auskohlungsreaktors 14 wird geschmolzenes Metall aus dem Reaktor entfernt.
Mit einer Induktionsspule 54 im unteren Teil des Auskohlungsreaktors 14 wird karbonisiertes Metall im Reaktor erhitzt. Selbstverständlich kann der Auskohlungsreaktor 14 auch anders aufgeheizt werden, z. B. durch Sauerstoffbrenner, Lichtbögen usw.
Die Metallschmelze 56 im Auskohlungsreaktor 14 ist die im Aufkohlungsreaktor 12 gebildete, karbonisierte Metallschmelze, bevor diese in den Auskohlungsreaktor 14 eingeleitet wurde. Durch Leitung 60 zwischen Aufkohlungsreaktor 12 und Auskohlungsreaktor 14 wird die karbonisierte Metallschmelze vom Aufkohlungsreaktor 12 in den Auskohlungsreaktor 14 geführt. Durch Leitung 62 zwischen Auskohlungsreaktor 14 und Aufkohlungsreaktor 12 wird die karbonisierte Metallschmelze vom Auskohlungsreaktor 14 in den Aufkohlungsreaktor 12 geführt.
Zu den für den Aufkohlungsreaktor 12 geeigneten Betriebsbedingungen gehört eine Temperatur, die mindestens eine teilweise Umsetzung des organischen Abfalls, z. B. durch Zerlegung in seine Bestandteile, einschließlich Wasserstoff und Kohlenstoff, ermöglicht. Im allgemeinen ist dafür ein Temperaturbereich von ca. 1300 ºC bis ca. 1700 ºC geeignet.
Die Metallschmelze 36 kann gegebenenfalls eine Glas- oder Schlackeschicht 64 aufweisen. Die Glasschicht 64, die auf der Metallschmelze 36 liegt, ist mit dieser im wesentlichen nichtmischbar. Die Wärmeleitfähigkeit der Glasschicht 64 kann geringer als die der Metallschmelze 36 sein. Der Strahlungswärmeverlust der Metallschmelze kann auf diese Weise deutlich unter den einer Metallschmelze ohne Glasschicht gesenkt werden. Der Auskohlungsreaktor 14 kann ebenfalls mit einer Glasschicht versehen werden (66).
Normalerweise enthält die Glasschicht 64 oder 66 mindestens ein Metalloxid, dessen freie Oxidationsenergie unter den Betriebsbedingungen geringer ist als bei der Umwandlung von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid, z. B. Calciumoxid (CaO). Die Glasschicht 64 kann auch eine geeignete Verbindung zum Auswaschen von Halogenen, z. B. Chlor oder Fluor, enthalten, um die Bildung von Halogenwasserstoffgasen, z. B. Chlorwasserstoff, zu verhindern.
Viele verschiedene organische Abfälle können gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Geeignet ist z. B. ein wasserstoff- und kohlenstoffhaltiges Material, beispielsweise Öl oder Abfall mit organischen Verbindungen, die Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff usw. enthalten. Selbstverständlich kann der organische Abfall auch anorganische Verbindungen enthalten. Außer Kohlenstoff und Wasserstoff kann der organische Abfall noch andere atomare Bestandteile enthalten, z. B. Halogene, Metalle usw. Der organische Abfall muß nicht wasserfrei sein. Größere Mengen Wasser im organischen Abfall können jedoch dazu führen, daß das Wasser als Oxidationsmittel wirkt und dadurch die Bildung von angereichertem Wasserstoffgas gestört wird. Zur Erzeugung von angereichertem Wasserstoffgas wird organischer Abfall bevorzugt, der ein kohlenstoffhaltiges Material mit relativ hohem Wasserstoffgehalt enthält, z. B. Propan, Butan usw. Zur Erzeugung von angereichertem Kohlenoxidgas wird organischer Abfall bevorzugt, der ein kohlenstoffhaltiges Material mit relativ niedrigem Wasserstoffanteil enthält, z. B. Teere, Öle, Olefine usw.
Der organische Abfall wird mit Pumpe 26 von der Abfallquelle 24 durch Leitung 22 gepumpt und durch Einlaßrohr 18 in die Metallschmelze 36 im Aufkohlungsreaktor 12 eingeleitet. Der organische Abfall kann fest, flüssig oder eine Suspension aus festen, organischen Abfallstoffen in einer Flüssigkeit sein. Alternativ können die festen, organischen Abfallstoffe auch in einem Edelgas, z. B. Argon, suspendiert sein.
Der in die Metallschmelze 36 eingeleitete organische Abfall wird in Kohlenstoff, Wasserstoff und andere atomare Bestandteile umgewandelt. Der atomare Wasserstoff verbindet sich im Aufkohlungsreaktor 12 zu Wasserstoff. Gleichzeitig wird die Metallschmelze 36 im Reaktor karbonisiert (aufgekohlt). Mit dem in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Begriff 'karbonisieren' ist die Zufuhr von atomarem Kohlenstoff in eine Metallschmelze gemeint, um den Gesamtkohlenstoffanteil in der Metallschmelze zu erhöhen (Aufkohlen), und zwar ohne größere Kohlenstoffverluste aus der Metallschmelze, die durch Oxidation durch ein gesondert zugeführtes Oxidationsmittel verursacht werden. Selbstverständlich kann der organische Abfall selbst ein oder mehrere Oxidationsmittel enthalten, die jedoch nicht als gesondert zugeführte Oxidationsmittel zu verstehen sind.
Das gebildete Wasserstoffgas wandert durch die Metallschmelze 36, z. B. durch Diffusion, Hindurchperlen oder in anderer Weise. Mindestens ein Teil des Wasserstoffgases wandert zuemem Teil der Metallschmelze 36 nahe der Wasserstoffabgasleitung 16 und bildet einen angereicherten Wasserstoffgasstrom. Mit der in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Bezeichnung 'angereicherter Wasserstoffgasstrom' ist ein Gasstrom gemeint, in dem der molare Wasserstoffanteil im Gasstrom, bezogen auf den gesamten Wasserstoff- und Kohlenoxidanteil im Gasstrom, größer ist als der Anteil, der im allgemeinen in einem typischen, von Bach/Nagel veröffentlichten Verfahren (siehe U.S. Patente 4,574,714 und 4,602,574) für die gleichzeitige, kombinierte Zersetzung und Oxidation von organischem Abfall erzeugt wird. Der molare Wasserstoffanteil ist das Verhältnis der in einem Gasstrom enthaltenen Wasserstoffmole zu den in dem Gasstrom insgesamt enthaltenen Molen Wasserstoff und Kohlenoxidgase.
Die Konzentration von gelöstem Kohlenstoff in der karbonisierten Metallschmelze 36 soll vorzugsweise unter dem für die Temperatur der Metallschmelze 36 zutreffenden Kohlenstoffsättigungspunkt liegen. Besteht die Metallschmelze 36 aus Kobalt, liegt der Kohlenstoffsättigungspunkt bei 1400 ºC bei ca. 3 Gew.% und bei 1800 ºC bei ca. 4,3 Gew.%. Für Mangan liegt er bei 1400 ºC bei ca. 8 Gew.% und bei 1800 ºC bei ca. 8,5 Gew.%. Für Chrom liegt der Kohlenstoffsättigungspunkt bei 1800 ºC bei ca. 11 Gew.% und bei 2000 ºC bei ca. 15 Gew.%.
Wenn der in der Metallschmelze enthaltene Kohlenstoff sich nicht mehr löst, weil die Metallschmelze mit Kohlenstoff gesättigt ist, kann der unlösliche Kohlenstoffanteil in den angereicherten Wasserstoffgasstrom eingeschleppt und dann durch Wasserstoffabgasleitung 16 aus der Metallschmelze entfernt werden. In diesem Fall kann der eingeschleppte Kohlenstaub durch in der Technik bekannte Vorrichtungen vom Wasserstoffgasstrom abgetrennt werden. Geeignete Vorrichtungen sind z. B. Zyklonabscheider oder Sackfilter.
Durch Leitung 60 wird die karbonisierte Metallschmelze 36 vom Aufkohlungsreaktor 12 in den Auskohlungsreaktor 14 geleitet. Durch Leitung 48 wird von der Oxidationsmittelquelle 50 ein gesondertes Oxidationsmittel zugeführt und durch Rohr 44 in die karbonisierte Metallschmelze 56 im Auskohlungsreaktor 14 eingeleitet. Geeignete Oxidationsmittel sind Sauerstoff, Luft, Eisenoxid usw. Das bevorzugte Oxidationsmittel ist Sauerstoffgas.
Durch gesonderte Zufuhr eines Oxidationsmittels in die karbonisierte Metallschmelze 56 entsteht durch Auskohlung der Metallschmelze 56 ein angereicherter Kohlenoxidgasstrom. Mit der in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Bezeichnung 'angereicherter Kohlenoxidgasstrom' ist ein Gasstrom gemeint, in dem der molare Kohlenoxidgasanteil, bezogen auf den gesamten Wasserstoff und Kohlenoxidgasanteil im Gasstrom, größer ist als der Anteil, der im allgemeinen in einem typischen, von Bach/Nagel veröffentlichten Verfahren (siehe U.S. Patente 4,574,714 und 4,602,574) für die gleichzeitige, kombinierte Zersetzung und Oxidation von organischem Abfall erzeugt wird. Der molare Kohlenoxidgasanteil ist das Verhältnis der in einem Gasstrom enthaltenen Kohlenoxidmole zu den in dem Gasstrom insgesamt enthaltenen Molen Wasserstoff und Kohlenoxidgase.
Der angereicherte Kohlenoxidgasstrom wird durch Auslaß 40 aus dem Auskohlungsreaktor 14 entfernt. Er kann gesammelt oder in die Atmosphäre abgelassen werden.
Über Leitung 62 wird die ausgekohlte Metallschmelze 56 in den Aufkohlungsreaktor 12 zurückgeführt. Wie bereits oben beschrieben, wird die in den Aufkohlungsreaktor 12 zurückgeführte, ausgekohlte Metallschmelze 56 im Aufkohlungsreaktor 12 karbonisiert, während dem Aufkohlungsreaktor 12 weiterer organischer Abfall zugeführt wird, jedoch kein gesondertes Oxidationsmittel. Pumpen sind nicht abgebildet, können jedoch für die Umwälzung der Metallschmelze verwendet werden.
Das System 10 wird bevorzugt bei atmosphärischem Druck oder unter Vakuum gefahren, um das Abgas leichter entfernen zu können.
Das Kohlenmonoxid/Kohlendioxidverhältnis im Kohlenoxidabgas vom Reaktor 14 kann durch verschiedene Methoden variiert werden. Eine Methode ist die Auswahl des Metalls oder der Metalle. Metalle wie Nickel oder Mangan neigen z. B. dazu, größere Mengen Kohlendioxid zu bilden.
In U.S. Patent 5,177,304, erteilt am 5. Januar 1993 an Nagel, wird ein Verfahren und System zur Steigerung der Kohlendioxidbildung aus kohlenstoffhaltigem Material in einem Schmelzbad aus nichtmischbaren Metallen beschrieben. Dieses Patent lehrt, daß aus einem Schmelzbad aus zwei nichtmischbaren, geschmolzenen Metallen eine größere Kohlendioxidmenge erzeugt werden kann, wobei die freie Oxidationsenergie des ersten Metalls größer als bei der Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und die freie Oxidationsenergie des zweiten Metalls größer als bei der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid sein muß.
Das Kohlenmonoxid/Kohlendioxidverhältnis im Abgas vom Reaktor 14 kann auch durch Veränderung der Betriebsbedingungen für den Reaktor variiert werden, z. B. durch die Einspritzgeschwindigkeit des Oxidationsmittels, die Temperatur, den Aufkohlungsgrad der Metallschmelze 56 usw.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Abbildung 2 dargestellt. Dieses System 100 besteht aus einem Reaktor 102 mit einer Metallschmelze 104. Im Reaktor 102 ist der Aufkohlungsreaktor 106 angeordnet. Der Reaktor 102 hat einen Einlaß für das Oxidationsmittel 108, eine Bodenabstichrinne 110 und einen Auslaß für Kohlenoxidabgas 112.
Der Aufkohlungsreaktor 106 hat einen Einlaß 114, einen Auslaß 116 und einen Auslaß für Wasserstoffabgas 118. Einlaß 114 und Auslaß 116 sind mit Zuleitung 120 bzw. Ableitung 122 verbunden. Zuleitung 120 und Ableitung 122 sind so lang, daß diese Leitungen teilweise unterhalb der Oberfläche der Metallschmelze 104 im Reaktor 102 verlaufen.
Kohlenstoff- und wasserstoffhaltiger, organischer Abfall wird durch die Einspritzvorrichtung 124 an Zuleitung 120 in die Metallschmelze 115 im Aufkohlungsreaktor 106 eingeleitet. Zu der Einspritzvorrichtung 124 gehören die organische Abfallquelle 126, Leitung 128 und Zuleitung 130. Der organische Abfall wird während seiner Zufuhr durch Leitung 130 zersetzt, wodurch Wasserstoffgas entsteht. Der so gebildete, separate, angereicherte Wasserstoffgasstrom wird dann durch Auslaß 118 im Aufkohlungsreaktor 106 geleitet. Durch Auflösen von Kohlenstoff in der Metallschmelze 115 wird eine karbonisierte Metallschmelze gebildet. Wasserstoffgas wandert durch die Metallschmelze 115 zum Auslaß 118, wodurch diese umgewälzt wird. Die Metallschmelze 115 zirkuliert vom Einlaß des Aufkohlungsreaktors 114 durch den Aufkohlungsreaktor 106 zum Auslaß 116 und durch Ableitung 122 zurück in die Metallschmelze im Reaktor 102.
Durch die Einspritzvorrichtung 136 wird ein Oxidationsmittel in die karbonisierte Metallschmelze im Reaktor 102 eingeleitet. Die Einspritzvorrichtung 136 besteht aus der Oxidationsmittelquelle 140, Leitung 142 und Oxidationsmittelleitung 144. Es entsteht Kohlenoxidgas, und durch Einleiten des Oxidationsmittels durch Einlaß 108 wird die Metallschmelze im Reaktor 102 ausgekohlt.
Das gebildete Kohlenoxidgas wandert durch die Metallschmelze 104 zum Auslaß 112, so daß die Metallschmelze durch die Bewegung des Kohlenoxidgases vom Auslaß des Aufkohlungsreaktors 116 durch die Metallschmelze 104 zum Einlaß 114 zirkuliert und so die ausgekohlte Metallschmelze in den Aufkohlungsreaktor 106 zurückgeführt wird.
Das System 100 kann bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden, um die gewünschte Umwälzung der Metallschmelze zu erreichen. Im allgemeinen ist der Druck im Aufkohlungsreaktor 106 niedriger als im Reaktor 102, damit die Metallschmelze im gewünschten Maße umgewälzt wird.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Abbildung 3 dargestellt. Dieses System 200 besteht aus einem Behälter 202 mit einer Metallschmelze 204. Im Behälter 202 sind der Aufkohlungsreaktor 206 und der Auskohlungsreaktor 208 angeordnet.
Der Aufkohlungsreaktor 206 hat einen Einlaß 210, einen Auslaß 212 und einen Auslaß für Wasserstoffabgas 214. Einlaß 210 und Auslaß 212 sind mit Zuleitung 216 bzw. Ableitung 218 verbunden. Zuleitung 216 und Ableitung 218 sind so lang, daß diese Leitungen teilweise unterhalb der Oberfläche der Metallschmelze 204 im Behälter 202 verlaufen.
Kohlenstoff- und wasserstoffhaltiger, organischer Abfall wird durch die Einspritzvorrichtung 220 an Zuleitung 216 in die Metallschmelze 211 im Aufkohlungsreaktor 206 eingeleitet. Zu der Einspritzvorrichtung 220 gehören die organische Abfallquelle 222, Leitung 224 und Zuleitung 226. Der organische Abfall wird während seiner Zufuhr durch Leitung 226 zersetzt, wodurch Wasserstoffgas entsteht. Der so gebildete, separate, angereicherte Wasserstoffgasstrom wird dann durch Auslaß 214 abgeführt. Gleichzeitig wird Kohlenstoff in der Metallschmelze 211 gelöst und so eine karbonisierte Metallschmelze gebildet. Wasserstoffgas wandert durch die Metalischmelze 211, wodurch diese vom Einlaß 210 durch den Aufkohlungsreaktor 206 zum Auslaß 212 zirkuliert. Die Metallschmelze fließt so vom Behälter 202 in den Reaktor 206, wo sie auf gekohlt wird, und zurück zum Behälter 202.
Der Auskohlungsreaktor 208 hat einen Einlaß für die Metallschmelze 232, einen Auslaß 234 und einen Auslaß für Kohlenoxidabgas 236. Einlaß 232 und Auslaß 234 sind mit Zuleitung 238 bzw. Ableitung 240 verbunden. Zuleitung 238 und Ableitung 240 sind so lang, daß diese Leitungen teilweise unterhalb der Oberfläche der Metallschmelze 204 im Behälter 202 verlaufen.
Durch die Einspritzvorrichtung 242, zu der auch die Oxidationsmittelquelle 244, Leitung 246 und Oxidationsmittelleitung 248 gehören, wird ein Oxidationsmittel eingeleitet. Dadurch entsteht Kohlenoxidgas, und die Metallschmelze 233 zirkuliert vom Einlaß des Auskohlungsreaktors 232 durch den Auskohlungsreaktor 208 zum Auslaß 234 und zurück zur Metallschmelze 204 im Behälter 202.
Das System 200 kann bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden, um die Metallschmelze im gewünschten Maße umzuwälzen. Im allgemeinen ist der Druck im Aufkohlungsreaktor 206 und Auskohlungsreaktor 208 niedriger als im Metallschmelzebehälter 202, um die gewünschte Umwälzung zu erreichen.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Abbildung 4 dargestellt. Dieses System 300 besteht aus einem Behälter 302, in dem sich eine Metallschmelze 304 und eine Glasschicht 308 befindet.
Im Behälter 302 befindet sich eine Prallfläche 310, die weit in die Metallschmelze 304 hineinragt und diese in einen Aufkohlungsbereich 312 und einen Auskohlungsbereich 314 trennt, so daß praktisch das gesamte Wasserstoffgas im Aufkohlungsbereich 312 gebildet wird, ohne daß größere Mengen Wasserstoffgas an den Auskohlungsbereich 314 verloren gehen, und der größte Teil des gebildeten Kohlenoxidgases im Auskohlungsbereich 314 gebildet wird, ohne daß größere Mengen Kohlenoxidgas an den Aufkohlungsbereich 312 verloren gehen. Zum Aufkohlungsbereich 312 gehört der Wasserstoffgasbereich 316, und zum Auskohlungsbereich gehört der Kohlenoxidgasbereich 318. Die Bereiche 316 und 318 sind nur durch die Metallschmelze 304 miteinander verbunden. Der Auslaß für Wasserstoffabgas 320 befindet sich oberhalb der Oberfläche der Metallschmelze 304 im Aufkohlungsbereich 312, während sich der Auslaß für Kohlenoxidabgas 322 oberhalb der Oberfläche der Metallschmelze 304 im Auskohlungsbereich 314 befindet.
Zum Leitungsrohr 324 für die Zufuhr von organischem Abfall gehört Einlaß 326 im unteren Teil des Aufkohlungsbereichs 312. Durch Einlaß 326 wird der organische Abfall praktisch senkrecht in die Metallschmelze 304 gespritzt. Der eingespritzte organische Abfall bildet einen Strom, der im wesentlichen im Aufkohlungsbereich 312 verweilt, ohne daß größere Mengen Wasserstoffgas an den Auskohlungsbereich 314 verloren gehen. Leitung 328 verläuft zwischen der organischen Abfallquelle 330 und dem Abfallrohr 324. Die Pumpe 332 in Leitung 328 befördert den organischen Abfall von der Quelle 330 zum Einlaß 326.
Durch Rohrleitung 334 mit Einlaß 336 im oberen Teil des Auskohlungsbereichs 314 wird ein gesondertes Oxidationsmittel praktisch senkrecht in die Metallschmelze 304 gespritzt. Das eingespritzte Oxidationsmittel bildet einen Strom, der im wesentlichen im Auskohlungsbereich 314 verweilt, ohne daß größere Mengen Kohlenoxidgas an den Aufkohlungsbereich 312 verloren gehen. Durch eine zweite Rohrleitung 335 im unteren Teil des Auskohlungsbereichs 314 wird ebenfalls Oxidationsmittel praktisch senkrecht in die Metallschmelze 304 gespritzt. Das eingespritzte Oxidationsmittel bildet vom unteren Teil des Behälters 302 einen Strom, der ebenfalls im wesentlichen im Auskohlungsbereich 314 verweilt, ohne daß größere Mengen
Kohlenoxidgas an den Aufkohlungsbereich 312 verloren gehen. Leitung 338 verläuft zwischen Abfallrohr 334 und organischer Abfallquelle 340. Das Oxidationsmittel kann durch eine dieser Vorrichtungen oder beide zugeführt werden.
über eine Bodenabstichrinne 342 im unteren Teil des Behälters 302 wird geschmolzenes Metall aus dem Behälter entfernt.
Organischer Abfall wird unter Bedingungen, die eine Zersetzung ermöglichen, in die Metallschmelze 304 im Aufkohlungsbereich 312 eingeleitet. Während der Aufkohlung der Metallschmelze im Bereich 312 bildet sich Wasserstoffgas. Die Prallfläche 320 reicht so weit in die Metallschmelze 304 hinein, daß eine Zersetzung des organischen Abfalls in Wasserstoff und Kohlenstoff erfolgen kann, ohne daß größere Mengen Wasserstoff an den Auskohlungsbereich 314 verloren gehen. Gleichzeitig löst sich Kohlenstoff in der Metallschmelze 304. Durch Einspritzen von organischem Abfall in den Aufkohlungsbereich 312 wird die Metallschmelze 304 so weit umgewälzt, daß sich der gelöste Kohlenstoff in der Metallschmelze 304 verteilt. Das angereicherte Wasserstoffgas wird aus dem Aufkohlungsbereich 312 durch den Wasserstoffgasbereich 316 und Auslaß 320 entfernt.
Oxidationsmittel wird unter Bedingungen, die eine Oxidation des in der Metalischmelze enthaltenen Kohlenstoffs ermöglichen, in die Metallschmelze 304 im Auskohlungsbereich 314 eingeleitet. Dadurch bildet sich ein angereicherter Kohlenoxidgasstrom. Die Prallfläche 310 reicht so weit in die Metallschmelze 304 hinein, daß eine Oxidation des gelösten Kohlenstoffs zu Kohlenoxidgasen erfolgen kann, ohne daß größere Mengen Oxidationsmittel an den Aufkohlungsbereich 312 verloren gehen. Durch Oxidation des gelösten Kohlenstoffs wird die Metallschmelze ausgekohlt und ein angereicherter Kohlenoxidgasstrom gebildet, der durch den Auslaß für Kohlenoxidabgas aus dem Auskohlungsbereich 314 entfernt wird. Durch das gebildete Kohlenoxidgas wird die Metallschmelze 304 so weit umgewälzt, daß die ausgekohlte Metallschmelze in den Aufkohlungsbereich 312 zurückgeführt wird.

Abbildung 1 (nicht erfindungsgemäß)

Organischer Abfall, der eine wasserstoff- und kohlenstoffhaltige, organische Verbindung enthält, z. B. Butan, wird in ein in Abbildung 1 dargestelltes Aufkohlungsreaktorsystem eingeleitet. Das geschmolzene Metall in diesem System ist Eisen und hat eine Temperatur von 1800 ºC. Der organische Abfall in der Metallschmelze zerfällt in seine atomaren Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff. Durch Zersetzung von Wasserstoff wird dieser von Kohlenstoff getrennt. Es bildet sich ein angereicherter Wasserstoffgasstrom, und das geschmolzene Eisen wird äufgekohlt. Das Wasserstoffgas wird durch den dafür vorgesehenen Auslaß aus dem Reaktor entfernt.
Die aufgekohlte Eisenschmelze wird in einen Auskohlungsreaktor eingeleitet, wo sie mit einem Oxidationsmittel, Sauerstoffgas, versetzt wird. Die Reaktion von Kohlenstoff und Oxidationsmittel betrifft bevorzugt die Oxidation des Eisens in der Metallschmelze, da bei der vorherrschenden Betriebstemperatur die freie Oxidationsenergie des Kohlenstoffs (Kurve 1) geringer ist als die des Eisens (Kurve 2) (siehe Abbildung 5). Kohlenstoff bildet bevorzugt Kohlenmonoxid vor Eisenoxid oder Kohlendioxid, da die freie Oxidationsenergie für Kohlendioxid (Kurve 3) größer ist als die von Eisen (Kurve 2), die größer ist als die freie Oxidationsenergie von Kohlenstoff bei der Bildung von Kohlenmonoxid (Kurve 1). Sauerstoffgas wird der Metallschmelze kontinuierlich zugesetzt. Das Kohlenmonoxid wird durch die Kohlenoxidabgasleitung von der Metallschmelze getrennt und kann in einen Kohlenoxidsammeltank (nicht abgebildet) geleitet oder in die Atmosphäre abgelassen werden. Das ausgekohlte Metall wird kontinuierlich in den Aufkohlungsreaktor zurückgeführt.

Abbildung II (erfindungsgemäß)

In einer Reaktoranordnung, ähnlich der in Abbildung 1 dargestellten, wird organischer Abfall, der eine wasserstoff- und kohlenstoffhaltige, organische Verbindung enthält, z. B. Butan, in die Metallschmelze eines Aufkohlungsreaktors eingeleitet. Das geschmolzene Metall ist Nickel und hat eine Temperatur von 1800 ºC. Der organische Abfall in der Metallschmelze zerfällt in die atomaren Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff. Durch Zersetzung von Wasserstoff wird dieser von Kohlenstoff getrennt. Es bildet sich ein angereicherter Wasserstoffgasstrom, und das geschmolzene Nickel wird aufgekohlt. Das Wasserstoffgas wird durch den dafür vorgesehenen Auslaß aus dem Reaktor entfernt.
Die augekohlte Nickelschmelze wird in einen Auskohlungsreaktor eingeleitet, wo sie mit einem Oxidationsmittel, Sauerstoffgas, versetzt wird. Die Reaktion von Kohlenstoff und Oxidationsmittel betrifft bevorzugt die Oxidation des Nickels in der Metallschmelze, da bei der Temperatur der Nickelschmelze die freie Oxidationsenergie des Kohlenstoffs (Kurve 1) geringer ist als die des Nickels (Kurve 4) (siehe Abbildung 5). Der Kohlenstoff bildet ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, da die freien Oxidationsenergien sowohl für die Bildung von Kohlendioxid (Kurve 3) als auch für die Bildung von Kohlenmonoxid (Kurve 1) geringer sind als die freie Oxidationsenergie von Nickel. Sauerstoffgas wird der aufgekohlten Metallschmelze kontinuierlich zugesetzt, wodurch diese ausgekohlt wird. Die Kohlenoxidgase werden durch die dafür vorgesehene Abgasleitung von der Metallschmelze getrennt und können in einen Kohlenoxidsammeltank (nicht abgebildet) geleitet oder in die Atmosphäre abgelassen werden. Das ausgekohlte Metall wird kontinuierlich in den Aufkohlungsreaktor zurückgeführt.
Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erlauben eine gleichzeitige Erzeugung von angereicherten Wasserstoff- und Kohlenoxidgasströmen. In einigen Ausführungsbeispielen ist die gleichzeitige Erzeugung jedoch nicht erforderlich, so daß in manchen Fällen eine aufeinanderfolgende Erzeugung vorzuziehen ist.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung eines wasserstoff- und kohlenstoffhaltigen organischen Abfallstoffes in einer Metallschmelze zur Bildung eines wasserstoffreichen Gasstroms und eines kohlenoxidreichen Gasstroms, bestehend aus oder enthaltend folgende Schritte:

a) Einleiten des wasserstoff- und kohlenstoffhaltigen organischen Abfallstoffes in die in einem Aufkohlungsreaktor vorliegende Metallschmelze ohne gesonderte Zufuhr eines Oxidationsmittels und unter für die Zersetzung des organischen Abfalls, Erzeugung eines wasserstoffreichen Gasstroms in einer ersten Gaszone und Aufkohlung der Metallschmelze ausreichenden Bedingungen, wobei die Metallschmelze so gewählt ist, daß ein im Vergleich zu dem unter gleichen Bedingungen in einem im wesentlichen aus geschmolzenem Eisen bestehenden Schmelzbad deutlich höheres Molverhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid vorliegt,

b) Leiten der aufgekohlten Metallschmelze aus dem Aufkohlungsreaktor in einen Entkohlungsreaktor,

c) Einleiten eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels in einer Menge in die aufgekohlte Metallschmelze im Entkohlungsreaktor, um den darin enthaltenen Kohlenstoff zu oxidieren, wodurch die Metallschmelze entkohlt und in einer zweiten Gaszone mit einem im Vergleich zu unter gleichen Bedingungen in einem im wesentlichen aus geschmolzenem Eisen bestehenden Schmelzbad deutlich höheren Molverhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid ein kohlenoxidreicher Gasstrom erzeugt wird,

wobei die zweite Gaszone von der ersten getrennt ist, und

d) Leiten der entkohlten Metallschmelze aus dem Entkohlungsreaktor in den Aufkohlungsreaktor.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Metallschmelz eim wesentlichen aus Mangan oder geschmolzenem Eisen und Kupfer besteht.

3. Verfahren zur Behandlung eines organischen Abfallstoffes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wasserstoffreiche Gasstrom und der kohlenoxidreiche Gasstrom gleichzeitig gebildet werden, die Metallschmelze aus einem ersten und einem zweiten geschmolzenen Metall besteht oder dieses enthält und Schritt c) unter Fortsetzung von Schritt a) erfolgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das erste geschmolzene Metall Eisen und das zweite geschmolzene Metall Kupfer enthält oder daraus besteht.

5. Verfahren zur Behandlung eines organischen Abfallstoffes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschmelze unter den Betriebsbedingungen des Aufkohlungsreaktors eine Kohlenstofflöslichkeit von mindestens ungefähr 0,5 Gewichtsprozent aufweist.

6. Verfahren zur Behandlung eines organischen Abfallstoffes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschmelze so gewählt ist, daß ein im Vergleich zu dem unter gleichen Betriebsbedingungen in einem im wesentlichen aus gschmolzenem Eisen bestehenden Schmelzbad deutlich höheres Molverhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid vorliegt, zur gleichzeitigen Bildung eines wasserstoffreichen Gasstroms und eines kohlenoxidreichen Gasstroms, wobei

der wasserstoff- und kohlenstoffhaltige organische Abfallstoff in im wesentlichen vertikaler Richtung in die Metallschmelze eingeleitet wird und wobei im Innern des Reaktorbehälters eine Prallfläche angeordnet ist, die weit genug in die Metallschmelze hineinreicht, um den Innenraum des Reaktors in eine Aufkohlungszone und eine Entkohlungszone zu trennen, wobei die Prallfläche die Bildung des im wesentlichen gesamten Wasserstoffgases in der Aufkohlungszone erlaubt, jedoch einen deutlichen Wasserstoffverlust in die Entkohlungszone hinein verhindert, sowie die Bildung des im wesentlichen gesamten Kohlenoxidgases in der Entkohlungszone gestattet, jedoch einen deutlichen Kohlenoxidgasverlust in die Aufkohlungszone hinein verhindert.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gesonderte Oxidationsmittel aus einem Sauerstoffgas besteht oder dieses enthält.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallschmelze aus zwei nichtmischbaren Metallen besteht oder diese enthält, wobei unter den Betriebsbedingungen das erste nichtmischbare Metall eine freie Oxidationsenergie hat, die größer ist als für die Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid, und das zweite nichtmischbare Metall eine freie Oxidationsenergie hat, die größer ist als für die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die erste Metallschmelze aus Eisen und die zweite Metallschmelze aus Kupfer besteht oder dieses enthält.