申請日2015.10.23
公開(公告)日2017.09.26
IPC分類號B09B3/00; B01J21/00; B82Y30/00
摘要
一種用于在反應(yīng)器中使廢棄物轉(zhuǎn)化成碳的方法，所述方法包括：a)通過使所述廢棄物經(jīng)受至少3巴的壓力和至少250℃的溫度來干燥所述廢棄物;b)使水蒸汽釋放出所述反應(yīng)器，以及;c)通過在至少5分鐘的時段內(nèi)，使所述廢棄物保持至少3巴的壓力和至少250℃的溫度來使所述廢棄物至少部分地碳化，從而獲得碳;以及d)可選地，分離非有機(jī)材料和所獲得的碳。
權(quán)利要求書
1.一種用于在反應(yīng)器中使廢棄物轉(zhuǎn)化成碳的方法，所述方法包括：
a)通過使所述廢棄物經(jīng)受至少3巴的壓力和至少250℃的溫度來干燥所述廢棄物;
b)使水蒸汽釋放出所述反應(yīng)器，以及;
c)通過在至少5分鐘的時段內(nèi)，使所述廢棄物保持至少3巴的壓力和至少250℃的溫度來使所述廢棄物至少部分地碳化，從而獲得碳;以及
d)可選地，分離非有機(jī)材料和所獲得的碳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟a)和步驟c)中，所述壓力各自獨立地為至少4巴、至少5巴、至少6巴、至少7巴、至少8巴、至少9巴或至少10巴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，在步驟a)和步驟c)中，所述溫度各自獨立地為至少275℃、至少300℃、至少325℃或至少350℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中，在步驟c)中，所述時段為至少7分鐘、至少10分鐘、至少15分鐘或至少20分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其中，在碳化步驟c)之后，所述方法進(jìn)一步包括在低于100℃的溫度下進(jìn)行減壓和冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中，通過加熱構(gòu)件和催化體系來提供所述至少250℃的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述催化體系包括：i)至少一種納米流體水性溶液，以及ii)供應(yīng)到所述反應(yīng)器的至少一種導(dǎo)熱氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述至少一種導(dǎo)熱氣體選自氦氣、氫氣、CO2、CO、氬氣、乙烯、HCl、H2S、氖氣以及它們的任意組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，所述至少一種納米流體水性溶液通過在水中混合二氧化鈦納米顆粒和十二烷基硫酸鈉來獲得。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，所述至少一種導(dǎo)熱氣體是氫氣和氦氣的非爆炸性混合物，并且氫氣通過氫化物粉末供應(yīng)至所述反應(yīng)器。
11.一種反應(yīng)器，所述反應(yīng)器用于根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項來將有機(jī)材料或廢棄物轉(zhuǎn)化成碳。
12.一種催化體系，所述催化體系包括：i)至少一種納米流體水性溶液，以及ii)如權(quán)利要求8或10所限定的至少一種導(dǎo)熱氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其中，所述廢棄物選自市政固體廢棄物、醫(yī)院廢棄物、藥物、屠宰場廢棄物、收集自污水的污泥，以及工業(yè)有機(jī)廢棄物。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項或者權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述廢棄物包括非有機(jī)材料，諸如金屬或玻璃。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項或者權(quán)利要求13或14所述的方法，其中，使所獲得的碳的至少一部分再循環(huán)來加熱所述反應(yīng)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)器進(jìn)一步包括：入口，所述入口用于供應(yīng)如權(quán)利要求8或10所限定的至少一種導(dǎo)熱氣體;以及出口，所述出口用于釋放水蒸汽。
17.根據(jù)權(quán)利要求11或16所述的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)器進(jìn)一步包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、安全閥以及一個或兩個通道。
說明書
有機(jī)廢棄物的快速干法碳化的方法和裝置，與該方法相關(guān)的裝置和催化體系
技術(shù)領(lǐng)域
技術(shù)領(lǐng)域涉及使有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為煤、碳化方法和裝置，以及催化體系。
背景技術(shù)
隨著世界人口的增加，所產(chǎn)生的廢棄物增加。廢棄物對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及整個社會的影響正成為地球上的嚴(yán)重問題。
目前，存在處理有機(jī)廢氣物的若干種選擇。其中一種選擇是受控的填埋，受控的填埋以掩埋固體廢棄物為基礎(chǔ)，并且通過以下來進(jìn)行：將無害廢棄物鋪設(shè)在地下挖出的層、孔或溝中;壓實該無害廢棄物;并且在每個工作日結(jié)束時用土壤覆蓋它們。遺憾的是，該處理導(dǎo)致有毒氣體的排放并且可能會由于甲烷積累而引起自燃和爆炸。與受控的填埋相關(guān)的主要成本包括土地征用費用，用非滲透性塑料布作為地面的襯壁以防止危險物質(zhì)泄露至土壤和地下水和含水層，運輸至偏遠(yuǎn)且非常大的填埋場，以及連續(xù)監(jiān)控/處理以避免過量甲烷積累。如果存在泄露或甲烷的積累，則在傾倒之前，需要對填埋場進(jìn)行維修。
有氧消化技術(shù)和厭氧消化技術(shù)或者堆肥技術(shù)涉及通過微生物(通常為細(xì)菌和真菌)將有機(jī)廢棄物分解為更簡單的形式。這些微生物將廢棄物中的碳作為能源使用。含氮材料的分解使得原材料分解成更一致的產(chǎn)物(可用作土壤富集)。在該過程中所產(chǎn)生的熱殺死了許多不需要的生物體，諸如雜草種子和病原體。厭氧堆肥導(dǎo)致部分的廢棄物的發(fā)酵。通常，對于這些技術(shù)，需要較大的空間，這也可能是昂貴的。堆肥的過程厭氧地產(chǎn)生生物氣(例如，甲烷氨和二氧化碳)。由于厭氧堆肥發(fā)生在密封的無氧環(huán)境或在水中進(jìn)行，有機(jī)材料的分解可能由于含硫化合物(諸如硫化氫)的釋放而產(chǎn)生非常令人不愉快的氣味。厭氧堆肥的主要缺點之一是如果堆肥沒有足夠的時間(至少一年)來發(fā)酵以及分解生物質(zhì)原料，則堆肥存在含有有害病原體的風(fēng)險。此外，如果發(fā)生泄露，則地下水可能受到污染。此外，通過堆肥所產(chǎn)生的肥料質(zhì)量差，這是由于碳和氮被轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氨而導(dǎo)致含碳和氮較少。
甲烷化是一種這樣的廢棄物處理方法：其中，通過來自廢棄物處理廠以及甚至填埋地的許多不同類型的動物源有機(jī)物質(zhì)和植物源有機(jī)物質(zhì)的發(fā)酵來自然地產(chǎn)生生物氣。甲烷化可提供加熱、電力或燃料。然而，甲烷化是導(dǎo)致甲烷和二氧化碳產(chǎn)生的復(fù)雜過程;與其它現(xiàn)有技術(shù)相比，該甲烷化，特別是基于生物甲烷化技術(shù)的那些項目是高度資本密集的，這是由于該技術(shù)需要關(guān)鍵且昂貴的裝備;并且甲烷化不適用于含少量有機(jī)降解物質(zhì)的廢棄物。此外，需要泄露防護(hù)來避免地下廢棄物污染。
焚燒是一種廢棄物熱處理，涉及廢棄物材料中所含的有機(jī)物質(zhì)的燃燒，將其轉(zhuǎn)化為灰分和煙道氣。該灰分主要由廢棄物的無機(jī)組分形成，并且可為煙道氣所攜帶的固體塊或顆粒的形式。在所生成的煙道氣排放到大氣之前，必須對其進(jìn)行清潔以去除可能的有毒污染物。在一些情況下，通過焚燒所產(chǎn)生的熱可用于通過蒸汽來產(chǎn)生電力。其可降低廢棄物的體積和重量。遺憾的是，其還可導(dǎo)致有毒氣體(如二噁英)、呋喃和NOx氣體的排放，這需要對空氣進(jìn)行監(jiān)控和處理。焚燒廠的成本是高的，并且操作人員需要是熟練且經(jīng)訓(xùn)練的。此外，一些廢棄物材料需要額外的燃料來焚燒它們。
廢棄物氣化涉及通常在超過700℃的溫度下，碳質(zhì)原料與含氧試劑(通常是氧氣、空氣、蒸汽或二氧化碳)的反應(yīng)。其涉及物質(zhì)的部分氧化，這意味著加入氧，但是氧的量不足以使燃料被完全氧化和發(fā)生完全燃燒。該過程大量放熱，但是可能還需要一些熱來引發(fā)并保持氣化過程。主要的產(chǎn)物是含有一氧化碳、氫氣和甲烷的合成氣。通過氣化產(chǎn)生的其它主要產(chǎn)物是不燃材料(灰分)的固體殘余物，其含有相對低水平的碳。在氣化期間，焦油、重金屬、鹵素和堿性化合物釋放至產(chǎn)物氣體中，并且可導(dǎo)致環(huán)境和操作問題。焦油是高分子量有機(jī)氣體，其破壞重整催化劑、除硫系統(tǒng)、陶瓷過濾器并且增加了鍋爐中以及其它金屬和耐火材料表面上的渣化的發(fā)生。堿可導(dǎo)致在一些氣化系統(tǒng)中所使用的硫化床中聚集體的增加，并且也可在燃燒期間破壞燃?xì)鉁u輪。重金屬是有毒的，并且如果釋放到環(huán)境中則會產(chǎn)生積累。鹵素是腐蝕性的，并且如果排放到環(huán)境中則導(dǎo)致酸雨。
等離子體電弧技術(shù)基于供應(yīng)到兩個電極之間產(chǎn)生電弧的氣炬(torch)上的電力。然后，通過電弧將惰性氣體加熱至極高的溫度。由于該極高的溫度，廢棄物氣化。在該溫度下，所有的無機(jī)材料，諸如金屬、二氧化硅、混凝土、礫石、玻璃等，或者有機(jī)材料發(fā)生玻璃化，并且在冷卻后，落到爐的底部。在排放之前，應(yīng)當(dāng)儲存所得材料來進(jìn)行冷卻。通常在處理危險廢棄物中使用該技術(shù)。這是一個非常復(fù)雜和非常昂貴的技術(shù)。該技術(shù)需要連續(xù)地更換等離子體氣炬，并且其產(chǎn)生非常高且不可接受的噪聲污染。
熱解是一種熱分解，即，熱化學(xué)分解，其在有機(jī)材料暴露于高溫且不存在氧氣、濕氣和任何鹵素的情況下發(fā)生。熱解需要在有機(jī)材料進(jìn)入反應(yīng)腔室之前，對該有機(jī)材料進(jìn)行干燥(通過低于10%的水分)。熱解涉及化學(xué)組成和物理狀體的不可逆的且同時性變化。其在1巴至4.5巴的壓力且在400℃至600℃(有時高達(dá)1200℃)的溫度下進(jìn)行，并且停留時間為數(shù)小時。通常，有機(jī)物質(zhì)的熱解產(chǎn)生氣體和液體(水和生物油)產(chǎn)物，并且產(chǎn)生富含碳含量和炭的固體殘余物。熱解在化學(xué)工業(yè)中大量使用。其也是在將木材燒成木炭中所涉及的過程，并且也可在固體燃料燃燒的火災(zāi)中發(fā)生或者在火山熔巖中當(dāng)植被與巖漿接觸時發(fā)生。極度熱分解，主要產(chǎn)生碳作為殘余物，也被稱為碳化。缺點是在進(jìn)入熱解單元前，必須將廢棄物切成碎片或進(jìn)行分離以防止進(jìn)料和運輸系統(tǒng)的堵塞。其導(dǎo)致高濃度的CO氣體的產(chǎn)生，該高濃度的CO氣體需要處理。此外，熱解油和焦油含有有毒的致癌化合物。
確實存在一種用于廢棄物處理方法的未解決的需要，該廢棄物處理方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少成本更低、需要更小的空間、環(huán)境友好無污染物排放、速度快，或者能夠?qū)U棄物體積降低至最低。
WO 2008081407A2(Antacor Ltd.)公開了水熱碳化，即，固液加熱系統(tǒng)，其中，壓力被調(diào)節(jié)至至少7巴，并且在10巴至34巴之間變動;溫度在100℃和300℃之間變動。處理時間為至少2小時并且可為12小時至60小時。起始材料必須切割為毫米級。該方法需要通過在酸中溫育材料2小時至6小時來進(jìn)行預(yù)處理。在處理前和處理后，必須加入催化劑。該催化劑是二元羧酸或三元羧酸或硫酸。金屬也可用作催化劑，這些金屬是重金屬并且可能是有毒的。該過程在處理過程中采用液體噴射混合泵。在處理之后，終產(chǎn)物是一種泥漿，并且需要移除水，并且對材料進(jìn)行干燥。通過納米過濾或反滲透對水進(jìn)行處理。該過程基于美拉德(Maillard)反應(yīng)(氨基酸和還原糖之間的化學(xué)反應(yīng))，其涉及三個階段的處理。終產(chǎn)物是泥炭、褐煤、黑煤腐殖質(zhì)(一種肥料)。最終產(chǎn)物包括65%的原起始物質(zhì)。在所述方法中，使用還原性氫氣、O2和N2。
黎巴嫩專利LB 9444(Dr.Jamil Rima)要求保護(hù)一種將固體有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化成煤的濕法碳化過程。將以下條件施加至反應(yīng)器中：1)將氣壓固定為10巴;2)將溫度固定為450℃;3)引入由石墨和氦氣制成的催化劑。根據(jù)該公開，在將垃圾引入到反應(yīng)器之后且在恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)之后，有機(jī)材料在十五分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)化成碳并且不產(chǎn)生有毒排放物。遺憾的是，在反應(yīng)器中存在水而由此干擾碳化反應(yīng)時，該方法不能進(jìn)行。得到的是炭，而不是煤。值得注意的是，有機(jī)廢棄物具有70%至80%的水含量。
Rima等人(Journal of Applied Sciences Research,9(3):1666-1674,2013)公開了利用高壓和高溫的碳化過程處理醫(yī)療廢棄物和市政廢棄物來用于煤產(chǎn)生。根據(jù)該過程，得到了炭。沒有提供關(guān)于用于有機(jī)固體廢棄的碳化的催化劑、機(jī)理和條件的任何細(xì)節(jié)。
WO 2014/032844A1(Hempel AS)公開了一種抗腐蝕涂覆組合物，包括：粘合劑體系、鋅顆粒、中空玻璃微球以及導(dǎo)電顏料，如石墨。
本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法能夠使有機(jī)廢棄物碳化，而不產(chǎn)生任何有毒排放物，其中，有機(jī)廢棄物包括但不限于市政固體廢棄物、大多數(shù)醫(yī)院廢棄物、過期藥物、屠宰場廢棄物、收集自污水的污泥以及工業(yè)有機(jī)廢棄物。
本發(fā)明的目的是提供與現(xiàn)有技術(shù)相比，需要相對較少投資的廢棄物處理方法、裝備和材料。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法由于其需要極少的勞力和能源而具有低操作成本。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法是快速的，需要15分鐘至35分鐘的時段將廢棄物轉(zhuǎn)化為碳。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法是通用的，該處理方法在起始材料具有大于80%濕氣時能夠進(jìn)行，或者在存在鹵素的情況下進(jìn)行，或者在應(yīng)用該處理工藝之前，需要對廢棄物進(jìn)行最少的分揀。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理裝備，該廢棄物處理裝備需要較小的操作面積并且是耐久的。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法是碳平衡的(或者甚至在一些情況下，是碳減少的)，從而不會產(chǎn)生污染，沒有有毒排放物，并且因此是環(huán)境友好的。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法產(chǎn)生高品質(zhì)碳，該高品質(zhì)碳可用于能源或作為能源來出售。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法產(chǎn)生隨后被冷卻且轉(zhuǎn)化成蒸餾水的蒸汽。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法既降低廢棄物的體積又降低廢棄物的重量。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法在處理之前，需要最小程度的因不能轉(zhuǎn)化成碳的非有機(jī)廢棄物(諸如金屬或玻璃)而進(jìn)行的分揀。
本發(fā)明的目的是提供一種廢棄物處理方法，該廢棄物處理方法能夠處理大多數(shù)的醫(yī)療廢棄物，而無需傳統(tǒng)滅菌且不會產(chǎn)生有毒排放物。
本發(fā)明試圖滿足上述提及的目的中的至少一個。
令人驚奇地，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過微調(diào)反應(yīng)器中應(yīng)用的條件和步驟(理念上涉及碳化開始之前廢棄物的完全干燥，即，基本上去除水)，來產(chǎn)生完全優(yōu)化的碳化過程。
令人驚奇地，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使加熱速率和加壓速率的加速，獲得了改進(jìn)的方法，在該改進(jìn)的方法中，在約5分鐘至35分鐘內(nèi)使全部的起始材料碳化。
令人驚奇地，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，通過選擇合適的催化劑混合物，改善了熱量在正在處理的廢棄物中的恰當(dāng)分布。
令人驚奇地，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，通過用一種催化劑組合物涂覆反應(yīng)器的內(nèi)壁，每次運行僅需要外部的催化氣體的補給，其中，該催化氣體在瓶中提供，從而極大地簡化了該方法。
令人驚奇地，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，每次運行僅需要外部的混合有納米流體的催化氣體的補給，從而極大地簡化了該方法。
