ФОТОННЫЙ РАДИОЛИЗ ОТХОДОВ
WASTES PHOTONIC RADIOLYSIS

Настоящее изобретение относится к области переработки отходов. Изобретение также относится к получению полезных продуктов из отходов.
Удаление и переработка твердых отходов, в частности, отходов, образующихся в центрах потребления, промышленных отраслях, лесном хозяйстве и в других сферах, приводят к появлению разнообразных проблем в области окружающей среды и здоровья населения. Проблемы, связанные с удалением и переработкой твердых отходов, включают повышенное накопление отходов, высокие расходы и невозможность ликвидации отходов. Твердые органические и неорганические отходы чаще всего размещают на свалках, специально спроектированных для этой цели. Основное неудобство, возникающее при использовании таких свалок в качестве конечного пункта захоронения твердых отходов, связано с занимаемой ими площадью поверхности и экологическими и социальными проблемами, вызванными либо загрязнением окружающей среды, либо выделением и выбросом газов, образующихся при разложении отходов. Кроме того, вследствие высокой стоимости земли и вышеупомянутых проблем, свалки располагают далеко от центров потребления, что, например, увеличивает транспортные расходы.
На протяжении последних нескольких лет были разработаны другие технологии обращения с твердыми отходами, такие как высокотемпературное сжигание с использованием тепла для выработки электроэнергии. Однако такая технология характеризуется высокими выбросами загрязняющих веществ. Кроме того, при применении высокотемпературного сжигания образуется зола, от которой трудно избавиться и которую приходится хранить на свалках.
16
33
2
2
3
2
4
С целью замены сжигания твердых отходов в мусоросжигательных печах были предприняты попытки извлечения энергии и трансформации твердых отходов различного происхождения путем разработки таких технологий, как газификация, анаэробная переработка, кипячение или сушка твердых отходов и микроволновое облучение твердых отходов. Например, с помощью перечисленных выше технологий получают пар или электричество. Однако указанные технологии либо требуют использования ископаемых видов топлива или приводят к образованию все еще большого количества остаточных загрязняющих веществ. Другие способы включают биоустановки для сбраживания, в которых органическое вещество превращают в жидкое удобрение и энергию в форме биогаза. В ходе указанных процессов выделяются аминокислоты, такие как цистин, цистеин, лизин, метионин и орнитин. Указанные аминокислоты являются донорами серы, которые можно превратить в путресцины (кадаверин), при этом гексадецилмеркаптан (CHSH) остается в виде остатка. Гексадецилмеркаптан содержит HS, сульфид водорода, который является токсичным, поскольку он блокирует центральный атом железа в гемоглобине, что вызывает эффект удушения, подобный эффекту цианида. Кроме того, при сжигании HS могут образоваться вода и триоксид серы (SO), что впоследствии приводит к образованию серной кислоты (HSO), которая является токсичной при поступлении в окружающую среду.
Микроволновое облучение органических отходов применяют для их обеззараживания за счет внутреннего нагрева органических отходов, вызванного внутренним трением в результате воздействия микроволн. Этот способ не позволяет повторно использовать органическое обработанное вещество, но приводит к его обеззараживанию и уменьшению его объема. Полученный в результате материал, хотя и с уменьшенным объемом, все еще необходимо размещать, например, на свалках.
Другие подходы представляют собой различные способы пиролиза, при котором разложение осуществляют путем воздействия тепловой энергии на материал, подвергаемый пиролизу. Такую тепловую энергию применяют в трех формах в виде трансдукции, конвекции и излучения. Используемый источник тепла представляет собой, например, тепло горелки. Кроме того, в процессе пиролиза образуются газы, выделяющиеся в окружающую среду.
Следовательно, существует постоянная потребность в улучшенных способах обработки и превращения твердых отходов.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение средств и способов получения полезного продукта из отходов, предпочтительно, твердых отходов, предпочтительно, органических отходов, более предпочтительно, твердых органических отходов.
В настоящем изобретении предложен способ получения полезного продукта из отходов, включающий
a) обеспечение отходов;
b) воздействие на отходы низкочастотным макроволновым излучением с длиной волны в диапазоне от 700 нм до 1 мм, с достижением при этом температуры от 205°С до 900°С и давления от 1,0 бар до 19,0 бар, с образованием вследствие этого угля;
c) необязательно, проведение физико-химической реакции остаточного вещества в газообразном состоянии, полученного на стадии b), в присутствии твердого металла, идентифицированного как DPP В102, с достижением при этом температуры от 180°С и 500°С и давления от 0,98 бар до 5,5 бар, с образованием вследствие этого асфальта;
d) необязательно, проведение физико-химической реакции и/или конденсации остаточного вещества в газообразном состоянии, полученного на стадии b) или с), с достижением при этом температуры от 150°С до 750°С и давления от 0,96 бар до 200 бар, с образованием вследствие этого жидкого углеводорода;
e) необязательно, проведение физико-химической реакции остаточного вещества в газообразном состоянии, полученного на стадии b), с) или d), в присутствии твердого металла, идентифицированного как DPP D102, с достижением при этом температуры от 50°С и 150°С и давления составляет от 0,95 бар до 1,5 бар, с образованием вследствие этого органических кислот;
f) необязательно, промывание абсорбентом и охлаждение при комнатной температуре остаточного вещества в газообразном состоянии, полученного на стадии b), с), d) или е), с образованием вследствие этого метана и водорода,
при этом указанные отходы содержат углерод в количестве от 9 до 85%, водород в количестве от 1 до 15%, кислород в количестве от 0 до 65%, в пересчете на сухую массу материала.
В настоящем документе способ согласно изобретению также называют "RMO способом" или "RMO процессом". Аппарат, применяемый для реализации способа согласно изобретению, также называют "RMO" или "RMO аппаратом" (Reactor de Materia Organica, реактор переработки органического материала).
Первое основное усовершенствование способа согласно настоящему изобретению состоит в применении концепции эффективности и результативности воздействия волн фотонного излучения. При реализации способа согласно изобретению не применимы тепловая трансдукция и тепловая конвекция, поскольку реакционные сосуды не находятся в непосредственном контакте с источником тепла. Такое излучение находится в инфракрасном диапазоне, а при сжигании или нагревании внешней границы источников тепловой энергии возникает излучение с более высокими частотами.
Такое излучение передает большой поток фотонов, который эффективно концентрируют в материале отходов, помещенных в цилиндрический или сферический реакционный сосуд. Под воздействием фотонов образуются электромагнитные ударные волны такой интенсивности, которая вызывает расщепление или фрагментацию молекул, из которых состоят отходы. В результате начинается газификация отходов. По сравнению с тепловой трансдукцией имеет место большая однородность магнитной индукции.
Таким образом, механизм, ответственный за разрушение химических связей в молекулах, из которых состоят отходы, представляет собой фотонную энергию. В настоящем документе этот процесс также называют фотонным радиолизом, направленным на фрагментацию молекул.
Второй аспект настоящего изобретения состоит в том, что подвергаемый радиолизу материал можно легко трансформировать путем молекулярных преобразований в этом же процессе. Материал в газообразном состоянии может вступать в химические реакции и может быть химически переведен в твердое или жидкое состояния с большей легкостью и безопасностью. Затем весь материал в конденсированном газообразном состоянии обрабатывают должным образом в RMO процессе и далее селективно осаждают, получая полезные продукты из материалов, которые в противном случае рассматривались бы как загрязняющие вещества.
Применяемые в настоящем изобретении отходы по меньшей мере частично представляют собой органический материал, содержащий углеродные соединения, в общем случае, полученные из животного и растительного сырья. В настоящем документе "отходы" определяют как материал, содержащий от 9 до 85% углерода, от 1 до 15% водорода и от 0 до 65% кислорода в пересчете на сухую массу материала и содержащий серу в количестве от 0 до 50%, хлорид в количестве от 0 до 50%, фосфор в количестве от 0 до 50%, бром в количестве от 0 до 50%, бор в количестве от 0 до 10%, тяжелые металлы в количестве от 0 до 50%, в пересчете на сухую массу материала и дополненный до 100% другими веществами.
Отходы предпочтительно содержат от 10 до 80% углерода, более предпочтительно, от 10 до 75% углерода в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат от 2 до 12% водорода, более предпочтительно, от 3 до 10% водорода в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат от 0 до 50% кислорода, более предпочтительно, от 0 до 40% кислорода в пересчете на сухую массу материала.
Содержание серы в отходах предпочтительно составляет от 0 до 25%, более предпочтительно, от 0 до 15%, даже более предпочтительно, от 0 до 10%, даже более предпочтительно, от 0 до 5% в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат хлорид в количестве от 0 до 25%, более предпочтительно, от 0 до 15%, даже более предпочтительно, от 0 до 10%, даже более предпочтительно, от 0 до 5% в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат фосфор в количестве от 0 до 25%, от 0 до 15%, даже более предпочтительно, от 0 до 10%, даже более предпочтительно, от 0 до 5% в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат бром в количестве от 0 до 25%, от 0 до 15%, даже более предпочтительно, от 0 до 10%, даже более предпочтительно, от 0 до 5% в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат бор в количестве от 0 до 5%, от 0 до 3%, даже более предпочтительно, от 0 до 2% в пересчете на сухую массу материала.
Отходы предпочтительно содержат тяжелые металлы в количестве от 0 до 25%, от О до 15%, даже более предпочтительно, от 0 до 10%, даже более предпочтительно, от 0 до 5% в пересчете на сухую массу материала.
Объем партии предпочтительно составляет по меньшей мере 200 кг отходов, более предпочтительно, по меньшей мере 500 кг, более предпочтительно, по меньшей мере 1500 кг.
Отходы предпочтительно содержат по меньшей мере 50% органического материала, предпочтительно, по меньшей мере 60% органического материала, более предпочтительно, по меньшей мере 70% органического материала. В настоящем документе "органический материал" определяют как материал, полученный из живого организма, такого как животное, растение или бактерии.
Примеры органических компонентов, содержащихся в отходах, включают, но не ограничивается ими, листья и ветки растений, кожуру фруктов, масло, шелуху и оболочки зерновых культур и масличных семян, пищевые остатки, молочай, растение ятрофа куркас и жмых сахарного тростника, растительные отходы, например, отходы табака, хлопка, опилки, обрезки и все отходы лесной промышленности; все другие агропромышленные органические отходы, обрезки деревьев, сорняки и все виды растительных отходов; твердые отходы животного происхождения, такие как кости, навоз, твердые отходы мясной промышленности и любой другой вид отходов животного происхождения. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, отходы представляют собой органические отходы.
Отходы могут содержать неорганические компоненты, такие как сера, хлор, фосфор, бром, бор, и/или тяжелые металлы, такие как мышьяк, кадмий, кобальт, медь, ртуть, марганец, никель, свинец, олово и таллий. Содержание серы в отходах предпочтительно составляет от 0 до 50%, более предпочтительно, от 0 до 25%, даже более предпочтительно, от 0 до 15% в пересчете на сухую массу отходов. Содержание хлорида в отходах предпочтительно составляет от 0 до 50%, более предпочтительно, от 0 до 25%, даже более предпочтительно, от 0 до 15% в пересчете на сухую массу отхода. Содержание фосфора в отходах предпочтительно составляет от 0 до 50%, более предпочтительно, от 0 до 25%, даже более предпочтительно, от 0 до 15% в пересчете на сухую массу отхода. Содержание брома в отходах предпочтительно составляет от 0 до 50%, более предпочтительно, от 0 до 25%, даже более предпочтительно, от 0 до 15% в пересчете на сухую массу отхода. Содержание бора в отходах предпочтительно составляет от 0 до 10%, более предпочтительно, от 0 до 5%, даже более предпочтительно, от 0 до 3% в пересчете на сухую массу отхода. Содержание тяжелых металлов в отходах предпочтительно составляет от 0 до 50%, более предпочтительно, от 0 до 25%, даже более предпочтительно, от 0 до 15% в пересчете на сухую массу отхода.
Примеры компонентов отходов, содержащих неорганические ингредиенты, включают, но не ограничивается ими, пластмассу, бумагу, резину, покрышки, природный и синтетический волокнистый материал, латекс, пеленки и одноразовые полотенца, выброшенные лекарственные препараты, токсичные вещества и сельскохозяйственные химреактивы, покрышки, упаковки тетра-пак и/или оцинкованные металлы. В частности, способ согласно изобретению подходит для переработки опасного вещества.
3
3
3
Отходы предпочтительно являются твердыми, однако жидкие отходы также можно перерабатывать с применением способа согласно изобретению. По существу, весь органический материал можно перерабатывать способом согласно изобретению. При желании, из соображений быстроты и единообразия процесса, перед началом реализации способа согласно изобретению можно уменьшить объем отходов или отходы можно измельчить. Размеры отходов после измельчения предпочтительно составляют от 10 до 50 см, более предпочтительно, от 10 до 40 см, даже более предпочтительно, от 15 до 20 см. Кроме того, желательно предварительно высушить отходы с целью уменьшения содержания влаги до максимального значения 35%, предпочтительно, до максимального значения 30%, более предпочтительно, до максимального значения 25%, более предпочтительно, до максимального значения 20%, более предпочтительно, до максимального значения 15%.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, отходы, перерабатываемые с получением полезного продукта, в процессе реализации способа согласно изобретению отделяют от отходов, которые не подлежат переработке в полезный продукт при реализации указанного способа, а, как правило, только подвергаются стерилизации. Указанные два типа отходов предпочтительно одновременно не подвергать переработке согласно способу, предложенному в изобретении.
В настоящем документе "полезный продукт" предпочтительно представляет собой уголь, асфальт, жидкий углеводород, органические кислоты, метан и/или водород.
На стадии b) при реализации способа согласно изобретению возникают температуры в диапазоне от 205°С до 900°С и давление в диапазоне от 1 бар до 19 бар. Температура отходов на стадии b) предпочтительно составляет от 205°С до 850°С. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения стадию b) при реализации способа согласно изобретению выполняют в присутствии целлюлозы или производного целлюлозы (реагент DDP А101) и/или соединения углерода (реагент DPP А102) и/или воды (реагент DDP A103).
Реагент DDP A101 представляет собой соединение, выбранное из группы, состоящей из целлюлозы и производных целлюлозы. В настоящем документе "производное целлюлозы" определяют как соединение, полученное из целлюлозы посредством химического процесса. Предпочтительные примеры производных целлюлозы включают, но не ограничиваются ими, простые эфиры целлюлозы, такие как ацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы, сложные эфиры целлюлозы, такие как метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, гидроксиэтилметилцеллюлоза, гидроксиэтилметилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза. DPP A101 можно применять в концентрации от 1:100 до 1:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению). DPP A101 предпочтительно применяют в концентрации от 1:500 до 1:5000 (кг реагента : кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 1:1000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению).
Реагент DPP A102 представляет собой соединение углерода, предпочтительно, микрокристаллический углерод, более предпочтительно, пирофорный микрокристаллический углерод. В настоящем документе "пирофорный микрокристаллический углерод" определяют как углерод, имеющий кристаллическую структуру, которую можно видеть только с помощью микроскопа и который самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом. Согласно одному варианту реализации изобретения, DPP A102 применяют частями, например, равными пропорциями, с начала стадии b) при реализации способа согласно изобретению до достижения требуемой концентрации, когда протекающий процесс выполнен на 50%. DPP А102 можно применять в концентрации от 1:100 до 1:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению). DPP А102 предпочтительно применяют в концентрации от 1:500 до 1:5000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 1:1000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению). DPP А 102 можно применять для уменьшения содержания кислорода в атмосфере в реакторе и для предотвращения образования токсичных оксидов. Такое применение предпочтительно понижает содержание кислорода в атмосфере в процессе реализации способа согласно изобретению.
Реагент DPP A103 представляет собой воду, предпочтительно, распыленную воду. DPP А103 предпочтительно применяют в конце стадии b), перед выгрузкой угля. Реагент DPP A103 предпочтительно сначала действует как реагент, а затем восстанавливается. Кроме того, указанный реагент предпочтительно способствует повышению стабильности угля, полученного на стадии b). DPP A103 можно применять в концентрации от 1:1000 до 30:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), предпочтительно, от 1:500 до 30:5000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 30:1000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению). На стадии b) при реализации способа согласно изобретению предпочтительно получают уголь. Оставшееся низкомолекулярное вещество в газообразном состоянии при реализации указанного способа предпочтительно поступает на стадию с).
На стадии с) при реализации способа согласно изобретению оставшееся вещество в газообразном состоянии, полученное на стадии b), вступает в физико-химическую реакцию в присутствии твердого металла. На стадии с) при реализации способа согласно изобретению температура уменьшается до диапазона от 180°С до 500°С и давление уменьшается до диапазона от 0,98 бар до 5,5 бар. Давление на стадии с) предпочтительно составляет от 0,8 бар до 1,2 бар. На стадии с) при реализации способа согласно изобретению предпочтительно получают асфальт. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения стадию с) при реализации способа согласно изобретению выполняют в присутствии углеводорода или смеси углеводородов (реагент DPP В101). Твердый металл, применяемый на стадии с), также называют реагентом DPP В102, если не указано иное.
15
32
55
112
21
44
51
104
35
52
45
92
Реагент DPP В101 представляет собой углеводород или смесь углеводородов. Указанный углеводород предпочтительно выбирают из группы, состоящей из тяжелых углеводородов. В настоящем документе "углеводород" определяют как соединение, состоящее по существу полностью из углерода и водорода. В настоящем документе "тяжелый углеводород" определяют как углеводород, содержащий по меньшей мере 15 атомов углерода. Указанный углеводород предпочтительно выбирают из углеводородов в пределах от CH до CH, более предпочтительно, в пределах от CH до CH, более предпочтительно, в пределах от СН до CH. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, DPP В101 представляет собой смесь тяжелых углеводородов, которая может содержать любую комбинацию тяжелых углеводородов, попадающую в пределы, указанные выше. DPP В101 можно применять в концентрации от 1:100 до 1:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), предпочтительно, в диапазоне от 1:500 до 1:5000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 1:1000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению).
DPP В102 представляет собой твердый металл, предпочтительно, металл, выбранный из группы переходных элементов, более предпочтительно, железо. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, DPP В102 представляет собой твердый черный металл, предпочтительно, с большой площадью поверхности по сравнению с потоком газа. В настоящем документе "переходный элемент" определяют как любой из элементов-металлов в Группах 3-12 в периодической системе элементов. DPP В102 предпочтительно добавляют на стадии с). Согласно другому предпочтительному варианту реализации изобретения, твердый металл, предпочтительно, твердый черный металл, представляет собой компонент, входящий в состав реакционного сосуда, в котором проводят стадию с).
Оставшееся низкомолекулярное вещество в газообразном состоянии при реализации указанного способа предпочтительно поступает на стадию d).
На стадии d) при реализации способа согласно изобретению оставшееся вещество в газообразном состоянии, полученное на стадии с), вступает в физико-химическую реакцию и/или конденсируется. На стадии с) при реализации способа согласно изобретению температура уменьшается до диапазона от 150°С до 750°С и давление уменьшается до диапазона от 0,96 бар до 200 бар. Давление на стадии d) предпочтительно составляет от 0,8 бар до 20 бар. Согласно предпочтительному варианту реализации, стадию d) при реализации способа согласно изобретению выполняют в присутствии углеводорода или смеси углеводородов (реагента DPP С101) и/или окислителя (реагента DPP C102).
В настоящем документе "конденсацию" определяют как изменение физического состояния вещества из газовой фазы в жидкую фазу.
8
16
34
50
12
26
22
46
14
30
20
42
Реагент DPP С101 представляет собой углеводород или смесь углеводородов. Указанный углеводород предпочтительно выбирают из группы, состоящей из нефтяных углеводородов. В настоящем документе "нефтяной углеводород" определяют как углеводород, содержащий минимум 8 атомов углерода и максимум 24 атома углерода. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, указанный нефтяной углеводород выбран из соединений со структурно формулой в пределах от CH до СН, предпочтительно, в пределах от СН до CH, наиболее предпочтительно, в пределах от СН до СН. Смесь нефтяных углеводородов, может состоять из любой комбинации нефтяных углеводородов, попадающей в указанные выше пределы. DPP С101 предпочтительно применяют для производства углеводородов наподобие нефти. Реагент DPP С101 оказывает свое воздействие при минимальном давлении 0,96 бар. DPP С101 можно применять в концентрации от 1:100 до 1:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), предпочтительно, в диапазоне от 1:500 до 1:5000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 1:1000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению).
3
Реагент DPP С102 представляет собой окислитель. В настоящем документе "окислитель" определяют как вещество, которое окисляет другое вещество, а само восстанавливается в этом процесс. Предпочтительные примеры окислителя представляют собой триоксид хрома, перекись водорода, азотную кислоту, нитрат, хлорит или хлорат натрия и калия или перманганат калия. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, DPP С102 представляет собой твердый триоксид хрома (CrO). Реагент DPP С102 можно применять при производстве топлив на стадии d) при реализации способа согласно изобретению. Указанный реагент предпочтительно применяют на верхнем пределе диапазонов температуры и давления, указанных ниже. DPP С102 можно применять в концентрации от 1:100 до 1:25000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), предпочтительно, в диапазоне от 1:500 до 1:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 1:2500 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению). На стадии d) при реализации способа согласно изобретению температура находится в диапазоне от 150°С до 750°С и давление составляет от 0,96 бар до 200 бар. На стадии d) при реализации способа согласно изобретению предпочтительно получают жидкий углеводород.
В зависимости от реагента, изменений давления и температуры получают такие топлива, как метиловый спирт, дизельное топливо, содержащее цетаны, бензин, содержащий октаны, или другие разновидности топлив, растворители и взрывчатые и антивзрывчатые добавки. Оставшееся низкомолекулярное вещество в газообразном состоянии при реализации указанного способа предпочтительно поступает на стадию е).
На стадии е) при реализации способа согласно изобретению оставшееся вещество в газообразном состоянии, полученное на стадии d), вступает в физико-химическую реакцию в присутствии твердого металла, идентифицированного как DPP D102. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, стадию е) при реализации способа согласно изобретению выполняют в присутствии раствора органической кислоты с концентрацией в диапазоне от 5% до 40% (реагента DPP D101 и/или раствора сульфата железа при концентрации от 5% до 50% (реагент DPP D103).
Реагент DPP D101 представляет собой раствор органической кислоты с концентрацией от 5% до 40%, предпочтительно, от 10% до 25%, более предпочтительно, примерно 15%. Раствор органической кислоты предпочтительно представляет собой водный раствор органической кислоты. Предпочтительные примеры раствора органической кислоты включают раствор уксусной кислоты, раствор муравьиной кислоты, раствор лимонной кислоты, раствор масляной кислоты, раствор малеиновой кислоты и раствор бензойной кислоты. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, DPP D101 представляет собой раствор уксусной кислоты, более предпочтительно, раствор уксусной кислоты с концентрацией диапазоне от 10% до 25%, наиболее предпочтительно, раствор уксусной кислоты с концентрацией примерно 15%. Реагент DPP D101 можно применять в концентрации от 1:100 до 1:10000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), предпочтительно, в диапазоне от 1:500 до 1:5000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению), более предпочтительно, примерно 1:1000 (кг реагента: кг сухой массы отходов, подаваемых на стадию b) при реализации способа согласно изобретению).
DPP D102 представляет собой твердый металл. Указанный металл предпочтительно выбирают из группы переходных элементов. Более предпочтительно, указанный металл представляет собой медь. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, DPP D102 представляет собой металлическую стружку, более предпочтительно, медную стружку. DPP D102 можно применять для очистки горючих газов на стадии е) при реализации способа согласно изобретению. Указанный реагент предпочтительно применяют в случае присутствия ртути для ее улавливания, и, тем самым, образования амальгамы, нерастворимой в воде. В некоторых случаях, ртуть можно также извлечь путем дистилляции.
Реагент D103 представляет собой раствор сульфата железа при концентрации от 5% до 50% (концентрация указанного раствора в реакционной смеси), предпочтительно, от 10% до 40%, более предпочтительно, от 15% до 30%. Раствор сульфата железа предпочтительно представляет собой водный раствор сульфата железа. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, если концентрация раствора сульфата железа падает ниже 15% (концентрация указанного раствора в реакционной смеси), к реакционной смеси добавляют дополнительное количество раствора сульфата железа. DPP D103 можно применять для очистки горючих газов на стадии е) при реализации способа согласно изобретению. Указанный реагент предпочтительно применяют для улавливания цианида с образованием ферроцианида, нерастворимого в воде. Например, DPP D103 можно применять для предотвращения выделения цианида в продукт, полученный способом согласно изобретению. На стадии е) при реализации способа согласно изобретению температура находится в диапазоне от 500°С до 150°С и давление составляет от 0,95 бар до 1,5 бар. На стадии е) при реализации способа согласно изобретению предпочтительно получают органическую кислоту.
В зависимости от реагента, давления и температуры получают различные органические кислоты. В зависимости от различных реагентов, специфических химических реагентов и температуры получают некоторые органические кислоты, применяемые в качестве удобрений. Оставшееся низкомолекулярное вещество в газообразном состоянии при реализации указанного способа предпочтительно поступает на стадию f).
2
2
4
На стадии f) при реализации способа согласно изобретению оставшееся вещество в газообразном состоянии, полученное на стадии е), промывают абсорбентом и охлаждают при примерно комнатной температуре. Стадия f) позволяет конденсировать эфирные масла и легкие углеводороды и разделять их вместе с другими газообразными примесями, содержащимися в топливном газе. Во время промывки абсорбентом газ, полученный со стадии е), сжимают при давлении 6-9 бар. Далее его обрабатывают водой с получением свободных CO, HS и силоксана. На стадии f) при реализации способа согласно изобретению, получают, например, метан (CH) предпочтительно с чистотой от 50% до 92% и водород (Н), предпочтительно с чистотой от 8% до 50%.
+
2
Необязательно, между стадией d) и стадией е) при реализации способа согласно изобретению, осуществляют термическое восстановление воды за счет теплоты в отсутствие кислорода. Например, при проведении такого процесса образуются газообразный водород (Н) и диоксид углерода (СО).
Применение реагентов на стадии b), с), d) и/или е) при реализации способа согласно изобретению позволяет провести более быстрое превращение отходов.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, отходы предварительно нагревают или облучают до достижения исходной температуры примерно 205°С, с последующим постепенным увеличением температуры до примерно 500°С в результате продолжительного облучения. Более предпочтительно, температуру отходов увеличивают примерно до 700°С. Наиболее предпочтительно, температуру отходов увеличивают примерно до 900°С.
Согласно предпочтительному варианту реализации, способ согласно изобретению реализуют с применением всех стадий от а до е, как описано выше. Способ согласно изобретению предпочтительно включает сначала выполнение стадии а), с последующим выполнением стадии b), с последующим выполнением стадии с), с последующим выполнением стадии d), с последующим выполнением стадии е). Согласно другому предпочтительному варианту реализации изобретения, способ согласно изобретению реализуют с применением всех стадий от а до f, как описано выше. Способ согласно изобретению предпочтительно включает сначала выполнение стадии а), с последующим выполнением стадии b), с последующим выполнением стадии с), с последующим выполнением стадии d), с последующим выполнением стадии е), с последующим выполнением стадии f). Стадии а), b), с), d) е) и f) предпочтительно запускают последовательно. После инициирования разных стадий, физико-химические реакции, проходящие на указанных стадиях, будут протекать по меньшей мере частично и после начала последующей стадии. Например, после инициирования стадии d), начинается физико-химическая реакция на стадии d), при этом физико-химические реакции на стадиях с) и/или d) могут все еще продолжаться. Следовательно, согласно предпочтительному варианту реализации, способ согласно изобретению включает сначала выполнение стадии а), с последующим инициированием стадии b), с последующим инициированием стадии с), с последующим инициированием стадии d), с последующим инициированием стадии е), с последующим инициированием стадии f).
В зависимости от вида отходов и применяемых реагентов, можно опустить одну или более из указанных стадий. Например, такое исключение может иметь место при необходимости обработки специфического, гомогенного органического материала. Например, способ согласно изобретению можно реализовать, используя стадии a, b, e и f, как описано выше, с получением в результате угля, органических кислот и газа. Согласно другому варианту реализации, способ согласно изобретению реализуют, используя стадии а, b и f, как описано выше, с получением в результате угля и газа. Согласно еще одному варианту реализации изобретения, способ согласно изобретению реализуют, используя стадии а, b, с и f, как описано выше, с получением в результате угля, асфальта и газа. Согласно еще одному варианту реализации изобретения, способ согласно изобретению реализуют, используя стадии а, b, с и d, как описано выше, с получением в результате угля, асфальта, органических кислот и жидких углеводородов.
В другом аспекте изобретения, предложен способ обработки отходов, при котором используют только стадии а и b, описанные выше, включающий обеспечение отходов и воздействие на отходы низкочастотным макроволновым излучением с длиной волны в диапазоне от 700 нм до 1 мм, при этом температура составляет от 205°С до 900°С и давление составляет от 1,0 бар до 19,0 бар, при этом в состав указанных отходов входят углерод в количестве от 9 до 85%, водород в количестве от 1 до 15%, кислород в количестве от 0 до 65% в пересчете на сухую массу материала. Указанное облучение предпочтительно осуществляют в присутствии целлюлозы или производного целлюлозы (реагент DDP А101), соединения углерода, предпочтительно микрокристаллического углерода, более предпочтительно, пирофорного микрокристаллического углерода (DDP А102), и воды (DDP А103).
6
6
6
6
6
6
На стадии b) при реализации способа согласно изобретению, на отходы воздействуют низкочастотным макроволновым излучением с предпочтительной длиной волны в диапазоне от 700 нм до длин волн, соответствующих инфракрасному излучению, т.е. с предпочтительной длиной волны от 700 нм до 1 мм. Длинные биологические цепи и макромолекулы органических отходов расщепляют на меньшие молекулы. Частота применяемых макроволн предпочтительно составляет от 0,1 ТГц до 1000 ТГц, более предпочтительно, от 0,3 ТГц до 500 ТГц, даже более предпочтительно, от 0,8 ТГц до 100 ТГц. Воздействие макроволны предпочтительно продолжается от одного до четырех часов. Интенсивность облучения составляет от 1,0×10 эВ (электрон-вольт) до 20,0×10эВ, более предпочтительно, от 2,0×10 эВ до 10,0×10 эВ, более предпочтительно, от 3,0×10 эВ (электрон-вольт) до 6.2×10 эВ в час на килограмм сухого органического материала. На стадии b) при реализации способа согласно изобретению возникают температуры в диапазоне от 205°С до 900°С и давление в диапазоне от 1 бар до 19 бар.
Как известно в данной области техники, пиролиз осуществляют путем воздействия на материал тепловой энергией, генерируемой тремя возможными способами, путем проводимости, конвекции и облучения. В способе согласно изобретению источник тепла предпочтительно поставляет тепловую энергию. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, источник тепла представляет собой горелку. Однако тепловая энергия также может поступать и от других различных источников.
В способе согласно изобретению источники тепла предпочтительно расположены периферически, при этом реакционный сосуд или сосуды не находятся в непосредственном контакте с источником тепла. В результате, нагревание за счет термической проводимости и конвекции ограничено, и излучение является по существу единственным источником тепловой энергии. Предпочтительные длины волн такого излучения находятся в диапазоне от 700 нм до длин волн, соответствующих инфракрасному излучению. Частоту излучения можно варьировать, меняя количество тепла, производимое источником тепла. Например, более высокие частоты возникают при усилении нагревания с помощью источника тепловой энергии.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, реакционный сосуд, применяемый в способе согласно изобретению, имеет цилиндрическую или сферическую форму. Кроме того, реакционный сосуд предпочтительно содержит двойную металлическую стенку, вследствие чего две стенки не находятся в непосредственном тепловом контакте друг с другом. Первичный источник излучения предпочтительно представляет собой источник тепла, такой как огонь или котел. Наружную металлическую стенку реакционного сосуда нагревают с помощью первичного источника тепла, и таким образом, указанная стенка сама становится вторичным источником излучения. Наружная стенка реакционного сосуда препятствует переносу тепловой энергии путем проводимости и конвекции. Однако фотонное излучение от наружной стенки также проходит через внутреннюю стенку реакционного сосуда. Следовательно, материал, содержащийся в пределах внутренней стенки указанного реакционного сосуда, облучается как за счет внутренней стенки, так и за счет вторичного источника излучения, т.е. наружной стенки реакционного сосуда.
Такое излучение передает большой поток фотонов, эффективно концентрирующихся в отходах, содержащихся в реакционном сосуде, предпочтительно цилиндрической или сферической формы. Указанный процесс генерирует электромагнитные волны такой интенсивности, которая вызывает расщепление или химическую фрагментацию молекул, из которых состоят отходы, вследствие чего постепенно начинается их газификация. Под действием излучения достигается большая однородность электромагнитных волн по сравнению с проводимостью или конвекцией тепловой энергии. Таким образом, механизм, ответственный за разрушение химических связей в молекулах, из которых состоят отходы, представляет собой энергию фотона. В настоящем документе такой процесс также называют фотонным радиолизом, направленным на фрагментацию молекул.
В ходе облучения, в реакционном сосуде, применяемом в способе согласно изобретению, предпочтительно достигается температура в диапазоне от 205°С до 900°С. Как правило, молекулярная фрагментация начинается, когда температура отходов, содержащихся в реакционном сосуде, достигает примерно 205°С. Излучение предпочтительно генерирует источник тепла, нагретый до по меньшей мере 205°С, более предпочтительно, по меньшей мере 500°С, более предпочтительно, по меньшей мере 700°С и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере 900°С.
Способ согласно изобретению является высокоэффективным и энергосберегающим, поскольку мощность, передаваемая излучением, экспоненциально увеличивается с температурой излучающего источника тепла. Напротив, в случае энергии, передаваемой путем конвекции, мощность сохраняет почти линейную связь с температурой.
В процессе реализации способа согласно изобретению содержимое аппарата, в котором реализуют указанный способ, по существу предпочтительно изолировано от внешней окружающей среды, при этом присутствующая влажность составляет от 80% до 100%, предпочтительно, от 90% до 100%, более предпочтительно, от 95% 100%. Содержание кислорода в процессе реализации указанного способа предпочтительно составляет менее 5%, более предпочтительно, менее 2%, даже более предпочтительно, менее 0,5%. Указанный процесс можно осуществить, используя давление газа, такого как пар, образующегося в этом процессе, в этом случае давление возрастает до верхней части диапазонов давления, приведенных выше. В качестве альтернативы, во время процесса горючие газы можно откачать, в этом случае в ходе процесса давление находится в нижней части диапазона давления, указанного выше.
С помощью способа согласно изобретению, длинные биологические цепи и макромолекулы отходов расщепляются на меньшие молекулы. Посредством радиолиза, фокусирующего фотоны, воздействуют макроволнами с низкой частотой, которые глубоко проникают в межмолекулярное пространство, что приводит к разрыву длинных биологических цепей. В способе согласно изобретению предложено решение по переработке отходов. С помощью такого способа можно предотвратить загрязнение жилых районов токсичными веществами, которые выбрасываются при горении и сжигании отходов. Технология, предложенная в изобретении, соответствует политике безотходного производства, целью которой является уменьшение количества мусора и загрязнения за счет повторного использования продуктов. Такая технология предлагает альтернативные методы удаления и переработки отходов с целью экономии материалов, сбережения энергии и создания источников топлива и других полезных продуктов. Продукты, полученные с применением такого способа согласно изобретению, по существу не содержат токсичных веществ. Предложенный процесс позволяет повторно использовать свыше 96% отходов и предпочтительно не образует опасные остаточные вещества.
Способ согласно изобретению, включающий по меньшей мере стадии а) и b), описанные выше, особенно подходит для общего обеззараживания и стерилизации твердых отходов, в том числе, но не ограничиваясь ими, например, отходов лечебных учреждений. Одно из преимуществ указанного способа состоит в том, что в процессе обеззараживания и стерилизации не происходит образования отходов или веществ, вредных для окружающей среды. Возбудители инфекции, которые могли бы вызвать заболевания или эпидемии, не способны выжить при применении такого способа. Другое преимущество указанного способа заключается в том, что не происходит биологического разложения и гниения обработанного материала, и, тем самым, предотвращается появление типичных тошнотворных запахов, возникающих при разложении органического вещества. Соответственно, способ согласно изобретению также особенно подходит для недеструктивной обработки органических отходов. Способ согласно изобретению можно дополнительно применять для осаждения вредных веществ. Указанный способ позволяет эффективно осадить загрязняющие элементы, устраняя, таким образом, попадание вредных веществ в один или более продуктов, получаемых способом согласно изобретению, таких как топливо. При реализации предложенного способа отпадает необходимость использования фильтров, которые после применения также становятся отходами.
В одном аспекте, способ согласно изобретению дополнительно включает осаждение неорганических веществ, таких как сера, хлор, фосфорированные тяжелые металлы, такие как мышьяк, кадмий, кобальт, медь, ртуть, марганец, никель, свинец, олово и таллий, на стадии b) и/или стадии с) и/или стадии d) и/или стадии е). Осаждение указанных веществ предпочтительно осуществляют путем применения щелочных реагентов, добавляемых к реакционной смеси.
В таком аспекте изобретения, если на стадии b) проводят осаждение серы, хлора, фосфора и тяжелых металлов, то в ходе этой стадии предпочтительно добавляют щелочные реагенты, например, путем подачи или замены водной среды, применяемой на стадии b), водным раствором, содержащим щелочные реагенты, для превращения веществ, загрязняющих уголь, в нерастворимые соли и кристаллы. Температура водного раствора, содержащего щелочные реагенты, предпочтительно находится в диапазоне от 20°С до 60°С. Это позволяет осадить все полу-летучие и летучие вещества. Сера, хлор и/или фосфор смешиваются со щелочью из водного раствора, образуя нерастворимые соли и химически стабильные кристаллы. Такие нерастворимые соли и кристаллы в водном растворе осаждают и удаляют. Напротив, при сжигании или пиролитических способах обработки отходов указанные молекулы выделяются при высоких температурах в окружающую среду или их отфильтровывают, часто неполностью. После использования такие фильтры также становятся твердыми отходами.
Газообразное вещество, полученное на стадии b) при реализации способа согласно изобретению, предпочтительно подается на стадию с). Указанный загружаемый материал может содержать тяжелые металлы, изначально присутствующие в отходах. В этом случае, физико-химический процесс, протекающий на стадии с), приводит к включению тяжелых металлов в асфальт. Если фосфорилированные, сульфурированные или хлорированные соединения все еще присутствуют на стадии с), в ходе этой стадии осуществляют дополнительное осаждение серы, хлора и/или фосфора, предпочтительно, путем добавления щелочных реагентов, например, путем добавления или замены водной среды водным раствором, содержащим щелочные реагенты, с целью превращения веществ, загрязняющих асфальт, в экологически инертные кристаллические молекулы. Отходы с температурой в диапазоне от 200°С до 300°С добавляют к щелочному раствору, температура которого предпочтительно находится в диапазоне от 20°С до 50°С. Это позволяет осадить все полу-летучие и летучие вещества. Сера, хлор и/или фосфор смешиваются со щелочью раствора, образуя нерастворимые соли и химически стабильные кристаллы.
Такие нерастворимые соли и кристаллы осаждают и удаляют из водного раствора.
Химическая реакция между неорганическими веществами и щелочными реагентами в растворе автоматически начинается благодаря химическому сродству, при этом применение дополнительной энергии не требуется.
Газообразное вещество, полученное на стадии с) при реализации способа согласно изобретению, предпочтительно подают на стадию d). Если фосфорилированные, сульфурированные или хлорированные соединения все еще присутствуют на стадии d), на указанной стадии d) осуществляют дополнительное осаждение серы, хлора и/или фосфора, предпочтительно, путем добавления щелочных реагентов, например, путем добавления или замены водной среды водным раствором, содержащим щелочные реагенты, с целью превращения вещества, загрязняющего жидкий углеводород, в экологически инертные кристаллические молекулы. Химическая реакция между неорганическими веществами и щелочными реагентами в растворе начинается автоматически благодаря химическому сродству, при этом применение дополнительной энергии не требуется. Материал, переработанный на стадии d), с температурой в диапазоне от 150°С до 250°С добавляют к щелочному раствору, температура которого предпочтительно находится в диапазоне от 20°С до 50°С.
Оставшееся газообразное вещество, полученное на стадии d) при реализации способа согласно изобретению, предпочтительно передают на стадию е). Если фосфорилированные, сульфурированные или хлорированные соединения все еще присутствуют, из выгружаемого материала, полученного на стадии е), еще раз дополнительно осаждают серу, хлор и/или фосфор, предпочтительно, путем добавления щелочных реагентов, например, путем добавления или замены водной среды водным раствором, содержащим щелочные реагенты, с целью превращения указанных загрязняющих веществ в экологически инертные кристаллические молекулы. Материал, переработанный на стадии е) при реализации указанного способа, с температурой в диапазоне от 90°С до 150°С добавляют к кислой среде, температура которой предпочтительно составляет от 20°С до 50°С, при этом радикалы серы, хлора, фосфора, азота, бора и брома реагируют с щелочами из раствора, образуя нерастворимые, химически стабильные соли и кристаллы.
Тяжелые металлы, когда они присутствуют в отходах, осаждаются главным образом в асфальте на стадии с) при реализации способа согласно изобретению. Тяжелые металлы, которые не осаждаются в асфальте, осаждаются во время следующих стадий в водном растворе, содержащем щелочные реагенты. Предпочтительно, между тяжелыми металлами и щелочными реагентами не происходит химических реакций. Указанные тяжелые металлы можно выделить из раствора с помощью щелочных реагентов, например, путем электролиза.
2
Щелочные реагенты выбирают по их способности химически взаимодействовать с неорганическими веществами, что приводит к осаждению указанных веществ. Предпочтительные примеры реагентов, которые можно применять для осаждения неорганических веществ, включают, но не ограничивается ими, гидроксид кальция (Са(ОН)), гидроксид натрия (NaOH) и гидроксид калия (КОН). Гидроксид кальция предпочтительно применяют для осаждения серы. Гидроксид кальция и/или гидроксид натрия предпочтительно применяют для осаждения хлорида. Гидроксид кальция, гидроксид аммония и/или гидроксид калия предпочтительно применяют для осаждения фосфора. Щелочные реагенты предпочтительно применяют при концентрациях в диапазоне от 15% до 27%. В случае обнаружения в твердых органических отходах других опасных веществ, можно применять другие реагенты. Необходимые реагенты могут быть определены для каждого опасного вещества.
Температура плавления бора составляет 2050°С, а температура кипения составляет 2550°С. Указанные температуры гораздо выше, чем температуры, достигаемые во время RMO процесса. Следовательно, бор выгружается вместе с углем. Присутствие бора в питьевой воде в форме растворенных солей является опасным, но, в общем, не вредным для окружающей среды.
12
8
6
10
6
8
12
8
6
12
2
8
10
10
12
4
6
6
6
6
Способ согласно изобретению, включающий осаждение неорганических веществ, позволяет дезактивировать соединения и загрязняющие вещества и нейтрализовать их активные или экологически агрессивные компоненты при последовательном выполнении стадий указанного способа. Готовый продукт поставляют при комнатной температуре, тем самым не допускается образование новых токсичных соединений, что обычно имеет место при сжигании. Осаждение серы, хлора, фосфора, брома и/или бора и тяжелых металлов на стадии b) и/или стадии с) и/или стадии d) и/или стадии е) при реализации способа согласно изобретению позволяет осуществить обработку химически и/или биологически загрязненных материалов, таких как инфицированные отходы лечебных учреждений, и химически загрязненных материалов или веществ, таких как отходы химической промышленности. Кроме того, это позволяет обрабатывать химически и/или биологически загрязненные материалы, такие как инфицированные отходы лечебных учреждений, и химически загрязненные материалы или вещества, такие как отходы химической промышленности, фитосанитарные и зоосанитарные вещества и стойкие органические вещества, включенные в Стокгольмское соглашение. Стойкие органические загрязнители (СОЗ) представляют собой химические продукты, отличающиеся определенными токсичными свойствами и проявляющие устойчивость к разложению. Это делает их особенно вредными для здоровья человека и окружающей среды. Способ согласно изобретению можно применять, например, для обработки отходов, содержащих полихлорированные бифенилы (PCBs), альдрин (CHCl), хлордан (CHCl), дильдрин (CHClO), пентабромодифениловый эфир (CHBrO), хлордекон (CCIO), гексабромдифенил (CHBr) и гексахлорциклогексан (CHCl)
Способ согласно изобретению можно также применять для ликвидации вышедших из употребления покрышек, извлекая, тем самым, серу, микрокристаллический уголь, сталь, асфальт и жидкие и газообразные углеводороды, и для повторного использования упаковок тетра-пак, извлекая, тем самым, металлическую фольгу, предпочтительно, алюминиевую фольгу, асфальт и жидкие и газообразные углеводороды. Например, уголь и сталь можно разделить механическими или магнитными способами. Например, уголь и алюминий разделяют механическими способами. Например, способ согласно изобретению можно дополнительно применять для дегальванизации оцинкованных металлов без выделения токсичных газов, обладающих нейролептическими эффектами, связанными с оксидом цинка. Указанные токсичные газы рассеиваются во время сжигания оцинкованных металлов и их трудно контролировать и удалять. Соединения металлов, полученные при дегальванизации на стадии b при реализации способа согласно изобретению, например, оксид цинка, могут быть включены в асфальт на стадии с.
Также предложен продукт, получаемый способом согласно изобретению.
Согласно одному варианту реализации, в настоящем изобретении предложен продукт, получаемый на стадии b) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный продукт представляет собой уголь. В настоящем документе уголь определяют как материал от темно-коричневого до черного графитоподобного цвета, состоящий из аморфного углерода с различными органическими и возможно некоторыми неорганическими соединениями. Уголь можно применять в качестве топлива. Как правило, уголь, полученный способом согласно изобретению, содержит от 40% до 95% связанного углерода, предпочтительно, от 50% до 92% связанного углерода, более предпочтительно, от 60% до 88% связанного углерода. Уголь, полученный способом согласно изобретению, обычно содержит от 2% до 40% летучих веществ, предпочтительно, от 3% до 35% летучих веществ, более предпочтительно, от 6% до 30% летучих веществ. Указанный уголь обычно содержит от 1% до 30% золы, предпочтительно, от 3 и 25% золы, более предпочтительно, от 6% до 20% золы.
Согласно предпочтительному варианту реализации, в настоящем изобретении предложен продукт, получаемый на стадии с) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный продукт представляет собой асфальт. В настоящем документе асфальт определяют как высоковязкий углеводород от темно-коричневого до черного цвета. Как правило, асфальт получают из остатка, остаточного после фракционной дистилляции сырой нефти или из природных источников, таких как асфальтовые озера, например, в Тринидаде. Преобладающими компонентами асфальта являются битумы. Асфальт применяют для нанесения дорожных покрытий, кровлей, покрытий, напольной плитки, для влагоизоляции и в промышленных изделиях.
Асфальтовое вяжущее вещество представляет собой остаток от процесса дистилляции сырых нефтей. Такой остаток также называют битумом. Битум представляет собой смесь многочисленных ароматических, парафиновых углеводородов и полициклических соединений, содержащих серу, азот и кислород; почти полностью растворим в сульфиде углерода. Углеводороды можно разделить на две группы: ациклические или с открытой цепью и циклические или с закрытой цепью. В свою очередь, углеводороды с открытой цепью подразделяют в зависимости от того, содержат ли они только одинарные связи, двойные связи или тройные связи, на насыщенные углеводороды или парафины, этиленовые углеводороды или олефины и ацетиленовые углеводороды или алкины. Циклические углеводороды, в свою очередь, подразделяют на алициклические и бензольные в зависимости от того, содержат они бензольное кольцо или нет. В свою очередь, обе группы можно подразделить на моноциклические и полициклические. Полициклическая бензольная группа может содержать два или три конденсированных бензольных колец, которые называют нафталиновыми и антраценовыми, соответственно.
Углеводороды в асфальте образуют коллоидный раствор, в котором молекулы самых тяжелых углеводородов (асфальтенов) окружены молекулами более легких углеводородов (смолами), без разделения между ними, а скорее перехода. Оставшееся пространство занимает нефть. Асфальтеновые молекулы содержат функциональные и радикальные группы, способные к образованию мицелл, когда в углеводороде присутствуют асфальтены при определенных концентрациях. Наиболее типичными функциональными группами являются карбонильная (-СО-), карбоксильная (-СОО-), фенольная (Ar-ОН) и гидроксильная (-ОН) группы, которые расположены на внутренней части мицелл. В асфальтенах присутствуют все металлы, содержащиеся в нефти, например Ni, V, Fe, Co, Mn, вместе с кислородом, серой и азотом. От 80% до 85% асфальтенов составляют атомы углерода. Как было обнаружено, отношение С:Н составляет от 0,8 до 0,87. Содержание гетероатомов может составлять от 5% до 11%-14%.
Асфальтены представляют собой продукты конденсации смолы. Асфальтены ответственны за структурные характеристики и параметры твердости асфальта. Смолы представляют собой исходное сырье для образования асфальтенов и придают пластичность асфальтеновым молекулам. Смолы характеризуются очень хорошей растворимостью в углеводородах, содержащихся в сырой нефти и асфальте, и способствуют образованию стабильной системы асфальтен-смола-асфальтен. В результате такой реакции с участием смолы происходят процессы дегидрогенизации и конденсации с удалением молекул воды, водорода, серной кислоты и аммиака и последующим образованием асфальтенов. Смолы содержат больше разветвленных цепей, чем асфальтены, следовательно, они менее компактны и более неорганизованы. Содержание полярных групп (гидроксильной, карбоксильной) и нескольких функциональных групп обеспечивает эмульгирующую способность смол. В зависимости от концентрации асфальтенов и температуры, смолы, содержащиеся асфальте, можно обнаружить как в дисперсной фазе, так и в диспергирующей среде системы. Смолы придают агглютинирующие свойства асфальту.
Нефти представляют собой диспергирующую среду для асфальта. Способность асфальта растворяться определяется его химическим составом, часто соотношением парафино-нафталиновых углеводородов к ароматическим углеводородам, и его молекулярной массой. Кроме того, при определенных температурах парафино-нафталиновые углеводороды, ароматические и нафталиновые углеводороды с парафиновой боковой цепью образуют в нефтях дисперсную фазу. Такие нефти придают асфальту подходящую консистенцию, которая облегчает его дальнейшую обработку.
Асфальты, применяемые при мощении улиц, представляют собой, главным образом, соединения, образующиеся при очистке сырой нефти. На качество полученного таким образом асфальта влияет последующий процесс очистки. При проведении процесса дистилляции таким образом, чтобы не происходили химические трансформации, имеет место так называемая прямая дистилляция, при этом полученные продукты представляют собой асфальтовые остаточные нефтепродукты или асфальт, полученный способом прямой дистилляции.
Окисленный, продувочный или продутый асфальт получают посредством прохождения кислорода через асфальт при высоких температуре и давлении. Применение такого асфальта при мощении улиц ограничено, поскольку указанный асфальт является твердым, ломким, обладает низкой растяжимостью и более коротким сроком службы, чем асфальт, полученный способом прямой дистилляции.
Для мощения дорог можно применять асфальтовое вяжущее вещество, разбавленный асфальт или асфальтовые эмульсии. Асфальтовое вяжущее вещество представляет собой асфальт, специально приготовленный для непосредственного применения при мощении улиц. Асфальт, полученный из природного асфальта, обозначают аббревиатурой NAC, а асфальт, полученный из нефти, обозначают аббревиатурой АС. Указанные асфальты являются полутвердыми при комнатной температуре и должны быть нагреты для достижения консистенции, подходящей для применения при мощении улиц. Такие асфальты являются нежесткими, прочными, агглютинированными и непроницаемыми и отличаются высокой устойчивостью к большинству кислот, солей и щелочей. Асфальтовое вяжущее вещество, полученное из нефти, классифицируют согласно степени его консистенции, определяемой испытаниями на пенетрацию. Устанавливают следующие виды асфальтов: 40-50, 50-60, 60-70, 70-85, 85-100, 100-120, 120-150 и 150-200. Чем ниже численное обозначение в данной классификации, тем "более твердым" является природное асфальтовое вяжущее вещество.
Разбавленный асфальт можно получить из мягких асфальтовых отходов, дистилляция которых была приостановлена без извлечения всех нефтепродуктов и газойля, или из горячего расплавленного асфальтового вяжущего вещества с применением различных растворителей, полученных при нефтеперегонке, таких как нафта, керосин, газойль или смазочные масла. Такой асфальт применяют, когда необходимо исключить нагревание нефтяного асфальтового вяжущего вещества или применять умеренное нагревание при мощении улиц. После полного испарения растворителя при применении разбавленного асфальта остается асфальтовое вяжущее вещество в виде остатка, который затем приобретает необходимые свойства вяжущего вещества. Такое испарение называют затвердеванием разбавленного асфальта. Разбавленный асфальт классифицируют в зависимости от времени его затвердевания. Если растворитель представляет собой растворитель типа нафты или бензина, получают быстро затвердевающий асфальт. Если растворитель представляет собой керосин, получают умеренно затвердевающий асфальт. Если растворитель представляет собой легкие фракции нефти со сравнительно небольшой летучестью, получают медленно затвердевающий асфальт. Быстро, умеренно и медленно затвердевающий асфальт обозначают как RC (rapid curing), MC (medium curing) и SC (slow curing) соответственно, с последующим числом, указывающим степень кинематической вязкости, измеренной в сантистоксах.
Асфальтовые эмульсии представляют собой коллоидные дисперсии асфальтовой фазы в водной (прямой) фазе или коллоидные дисперсии дисперсной водной фазы в асфальтовой (обратной) фазе. Асфальтовые эмульсии получают путем смешивания воды с нагретым асфальтом, в энергично перемешиваемой среде в присутствии эмульгаторов, которые придают асфальту стабильность, способствуя диспегированию и образуя защитную пленку вокруг крупинок битума, поддерживая их, таким образом, в суспендированном состоянии. Эмульгаторы или тензоактивные продукты, применяемые при производстве указанных эмульсий, подразделяют на две категории, анионные и катионные. При производстве эмульсий наиболее часто применяют разбавленный асфальт и самое мягкое асфальтовое вяжущее вещество. Тем не менее, при применении более современных методов также рассматривают более твердое асфальтовое вяжущее вещество. Катионные эмульсии могут разрушаться при химической реакции между эмульгатором и агрегатом и при испарении воды. Такое явление отделения воды от битуминозного материала называют распадом эмульсии. В анионных элементах, распад эмульсии происходит, главным образом, путем испарения воды. В зависимости от скорости разрушения, асфальтовые эмульсии классифицируют на быстро распадающиеся эмульсии (RR), умеренно распадающиеся эмульсии (MR) и медленно распадающиеся эмульсии (SR).
Поверхности асфальтобетона состоят из смесей битумного материала с инертными агрегатами, которые, в зависимости от температуры смешивания, классифицируют на горячую асфальтобетонную смесь и холодную асфальтобетонную смесь. Более чем 90% мощеных дорог покрыты нежесткими дорожными покрытиями, так как способ, применяемый для указанного типа дорожного покрытия, широко распространен и хорошо разработан. Битуминозные материалы отвечают за существенную часть стоимости нежестких дорожных покрытий. Кроме того, тот факт, что битуминозные материалы главным образом получают из нефти, делает их цену зависимой от цен на сырую нефть и стоимости доллара. В последние несколько лет эти цены колебались непредсказуемым образом. Асфальт, полученный способом согласно изобретению, является экологически устойчивой, дешевой альтернативой при создании дорожного покрытия для строительства мощеных дорог. Применимость материала, полученного способом согласно изобретению, была установлена на основе его химических и физических свойств.
Для определения состава, характеристик и уровня функционирования асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно используют такую же методологию анализа проверки качества промышленного использования, которая установлена в случае асфальтового вяжущего вещества, полученного из сырой нефти. Свойства полученного асфальта были определены с применением стандартных испытаний Американской ассоциация руководителей государственных шоссейных дорог и транспорта (AASHTO). Стандартные испытания AASHTO хорошо известны специалистам в данной области техники и все стандарты и способы испытаний AASHTO можно найти в "Standard Specifications for Transportation Materials and Methods of Sampling and Testing " (30-тое издание, опубликованное в 2010) и в "AASHTO Provisional Standards", опубликованных AASHTO.
Асфальт, полученный способом согласно изобретению, получают из отходов, которые предпочтительно содержат по меньшей мере 50%, более предпочтительно, по меньшей мере 60%, даже более предпочтительно, по меньшей мере 70% органического материала и/или биомассы. Указанные отходы могут содержать неорганические примеси. Они способны заменять традиционные битуминозные продукты, полученные из нефти. Материалы, которые можно применять для получения асфальта согласно настоящему изобретению включают, но не ограничивается ими, органические твердые отходы, промышленные отходы, такие как отходы нефтяной промышленности, шелуху и чешую злаков, отходы лесной промышленности, такие как опилки, обрезки, отходы от сельскохозяйственного производства и производства древесины и биомассу.
Асфальт, полученный способом согласно изобретению, имеет физические и механические свойства, сравнимые со свойствами нефтяного асфальтового вяжущего вещества, и химическую конфигурацию, эквивалентную конфигурации нефтяного асфальтового вяжущего вещества. Указанные физические и механические свойства подробно описаны ниже.
Растворимость асфальта, полученного способом согласно изобретению, в четыреххлористом углероде обычно составляет от 95 до 100%, предпочтительно, от 98 до 100%, более предпочтительно, от 99,4% до 99,8%, например, примерно 99,6%, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т44 на растворимость битуминозных материалов в органическом растворителе. Зольность такого асфальта предпочтительно составляет от 0,1 до 2%, более предпочтительно, от 0,2 до 1,0%, наиболее предпочтительно, от 0,3% до 0,5%, например, примерно 0,4%, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т111 на определение неорганического вещества или золы в битуминозных материалах. Асфальт, полученный способом согласно изобретению, предпочтительно демонстрирует отрицательный результат при первом и втором испытании Олиенсиса на однородность битума, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т102 на определение асфальтеновой нестабильности асфальтовых материалов.
3
3
3
Удельная масса асфальта, полученного способом согласно изобретению, обычно составляет от 0,98 до 1,1 грамм/см, более предпочтительно, от 0,99 до 1,05 грамм/см, даже более предпочтительно, от 1,00 до 1,03 грамм/см, наиболее предпочтительно, примерно 1,017 грамм/см, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т 228 на определение удельной плотности полутвердых битуминозных материалов.
Показатель пенетрации асфальта, полученного способом согласно изобретению, обычно составляет от -1,15 до -1,25, предпочтительно, от -1,17 до -1,23, более предпочтительно, примерно -1,21.
Классификация асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно соответствует пропиточному асфальтовому вяжущему веществу марки 50-60.
Растяжимость асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно составляет от 108 до 120 см, более предпочтительно, от 110 до 115 см, более предпочтительно, примерно 112 см, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т51 на растяжимость асфальтовых материалов.
Температура размягчения асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно составляет от 47° до 53°, более предпочтительно, от 48,5 до 51°, наиболее предпочтительно, примерно 49,2°, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т 53 на температуру размягчения асфальта (битума) в этиленгликоле.
Термическая чувствительность асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно сравнима со значениями, приведенными в таблице 1, как определено с помощью стандартного испытания AASHTO Т72 на определение вязкости Сейболта-Фурол.
Таблица 1.
Результаты определения термической чувствительности асфальта, полученного способом согласно изобретению.
Температура (°С)
Вязкость
125
276
135
175
145
131
155
92
165
65
Определенные в указанных выше испытаниях параметры асфальта, полученного способом согласно изобретению, удовлетворяют требованиям, установленным в случае его применения в нежестком асфальтобетонном дорожном покрытии. Температура смешивания указанного асфальта с каменистой массой для получения асфальтобетона, подходящего для применения в дорожном покрытии, изменяется в диапазоне от 155 до 165°С, а величина уплотнения изменяется в диапазоне от 142 до 145°С.
Температура воспламенения асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно составляет от 230 до 250°С, более предпочтительно, от 235 до 245°С, наиболее предпочтительно, примерно 240°С, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т48 на определение температуры вспышки и температуры воспламенения с помощью прибора Кливленда с открытым тиглем.
Потери асфальта, полученного способом согласно изобретению, связанные с нагреванием, предпочтительно составляют от 0,5 до 1,0%, более предпочтительно, от 0,55 до 0,75%, наиболее предпочтительно, примерно 0,64%, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т179 на определение воздействия тепла и воздуха на асфальтовый материал (испытание воздействия тепла и воздуха на битум в тонкой пленке).
Остаточная пенетрация асфальта, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно составляет от 45 до 55%, более предпочтительно, от 48 до 53%, наиболее предпочтительно, примерно 51%, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т49 на пенетрацию битуминозных материалов.
Растяжимость пробы асфальта в тонком слое, полученного способом согласно изобретению, предпочтительно составляет от 80 до 95 см, более предпочтительно, в диапазоне от 85 до 90 см, наиболее предпочтительно, примерно 88 см, как определено с применением стандартного испытания AASHTO Т51 на растяжимость асфальтовых материалов.
Если твердые отходы, применяемые в способе согласно изобретению, по существу полностью состоят из органического материала, получают асфальт, содержание неорганических веществ в котором ниже 1%. Содержание серы в таком асфальте согласно изобретению предпочтительно ниже 0,5%, более предпочтительно, ниже 0,1%. Если органические твердые отходы, применяемые в способе согласно изобретению, содержат неорганические вещества, полученный асфальт также может содержать указанные неорганические вещества. Однако, концентрация указанных неорганических веществ обычно ниже, чем максимально допустимое содержание указанных веществ.
Согласно предпочтительному варианту реализации, в настоящем изобретении предложен продукт, получаемый на стадии d) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный продукт представляет собой жидкий углеводород. В настоящем документе жидкий углеводород определяют как органическое соединение в жидкой форме. Предпочтительные примеры жидкого углеводорода включаю, но не ограничиваются ими, метиловый спирт, дизельное топливо, содержащее цетаны, бензин, содержащий октаны, бензол, керосин и другие разновидности топлив. Жидкий углеводород, полученный способом согласно изобретению, по существу, не содержит серу.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации, в настоящем изобретении предложен продукт, получаемый на стадии е) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный продукт представляет собой органическую кислоту. В настоящем документе органические кислоты определяют как кислоты, образованные из молекул, содержащих органические радикалы. Предпочтительные примеры органических кислот включают, но не ограничиваются ими, уксусную кислоту, муравьиную кислоту, лимонную кислоту, масляную кислоту, малеиновую кислоту и бензойную кислоту. Например, в зависимости от вида твердых отходов, органические кислоты, полученные на стадии е при реализации способа согласно изобретению, могут содержать от 5% до 20% муравьиной кислоты, от 75% до 95% уксусной кислоты, от 0% до 11% лимонной кислоты и от 0% до 4% других органических кислот.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации, в настоящем изобретении предложен продукт, получаемый на стадии е) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный продукт представляет собой метан или водород.
Также предложен аппарат, спроектированный для реализации способа согласно изобретению. В настоящем документе указанный аппарат, также называемый реактором для обработки органического вещества, путем молекулярного преобразования превращает отходы в топлива и может функционировать энергетически автономно. Пример такого аппарата согласно изобретению представлен на Фиг.1 и 2.
Аппарат, спроектированный для реализации способа согласно изобретению, включает впускное отверстие для отходов (1), предназначенное для подачи отходов в по меньшей мере один реакционный сосуд для дезинтеграции (2), который нагревают с помощью источника тепла за счет облучения макроволнами и который адаптирован для проведения стадии b) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный по меньшей мере один реакционный сосуд для дезинтеграции (2) включает впускное отверстие для реагентов и/или щелочных реагентов, выпускное отверстие для угля и выпускное отверстие для остаточного материала в газообразном состоянии, при этом указанное выпускное отверстие функционально связано с по меньшей мере одним реакционным сосудом для разделения (3), предназначенным для выполнения стадии с) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный по меньшей мере один реакционный сосуд для дезинтеграции (3) включает впускное отверстие для реагентов и/или щелочных реагентов, выпускное отверстие для асфальта (3а) и выпускное отверстие для остаточного материала в газообразном состоянии, при этом указанное выпускное отверстие функционально связано с по меньшей мере одним реакционным сосудом для разделения (4), предназначенным для выполнения стадии d) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный по меньшей мере один реакционный сосуд для дезинтеграции (4) включает впускное отверстие для реагентов и/или щелочных реагентов, выпускное отверстие для жидкого углеводорода (4а) и выпускное отверстие для остаточного материала в газообразном состоянии, при этом указанное выпускное отверстие функционально связано с по меньшей мере одним реакционным сосудом для разделения (5), предназначенным для выполнения стадии е) при реализации способа согласно изобретению, при этом указанный по меньшей мере один реакционный сосуд для дезинтеграции (5) включает впускное отверстие для реагентов и/или щелочных реагентов, выпускное отверстие для органических кислот (5а), выпускное отверстие для остаточного материала в газообразном состоянии, при этом указанное выпускное отверстие функционально связано с дымовым дегазационным прибором (8), включающим выпускное отверстие для водяного пара и диоксида углерода, и функционально связано с холодильником и устройством для рециклинга (10) и реакционным сосудом (9), предназначенным для выполнения стадии ректификации, при этом указанный по меньшей мере один реакционный сосуд для дезинтеграции (5) дополнительно функционально связан с противовзрывными предохранительными клапанами (6) для поддержания стабильного давления и предотвращения возврата пламени, при этом указанные противовзрывные предохранительные клапаны (6) функционально связаны с контейнером для хранения газа (7).
Настоящее изобретение дополнительно описано в следующих примерах. Указанные примеры не ограничивают объем изобретения, но просто служат для его разъяснения.
Краткое описание чертежей
2
Фиг.1. Вид сверху аппарата, спроектированного для реализации способа согласно изобретению. 1) впускное отверстие для отходов; 2) реакционные сосуды для дезинтеграции, предназначенные для выполнения стадии b) при реализации способа согласно изобретению; 3) реакционные сосуды для разделения, предназначенные для выполнения стадии с) при реализации способа согласно изобретению; 3а) выпускное отверстие для асфальта; 4) реакционные сосуды для разделения, предназначенные для выполнения стадии d) при реализации способа согласно изобретению; 4а) выпускное отверстие для жидкого углеводорода; 5) реакционные сосуды для разделения, предназначенные для выполнения стадии е) при реализации способа согласно изобретению; 5а) выпускное отверстие для органических кислот; 6) противовзрывные предохранительные клапаны для поддержания стабильного давления и предотвращения возврата пламени; 7) контейнер для хранения газа; 8) дымовой дегазационный прибор, способный высвобождать водяной пар и СО; 9) реакционный сосуд для проведения стадии ректификации; 10) холодильник и устройство для рециклинга.
Фиг.2. Вид сбоку аппарата, спроектированного для реализации способа согласно изобретению. Нумерация деталей соответствует Фиг.1.
Примеры
Пример 1. Переработка остатков муниципальных твердых отходов (МТО) с применением RMO процесса
В настоящем примере RMO процесс применяли для обработки органического вещества, получаемого из МТО. Отделяли 200 кг органического материала и обрабатывали в RMO аппарате. Состав МТО приведен в таблице 2. В первой колонке таблицы 2 указана та часть отходов, которую в процессе реализации RMO процесса перерабатывают в полезный продукт. Во второй колонке таблицы 2 указана та часть материала, которую не перерабатывают в продукты, но которую подвергают стерилизации в ходе RMO процесса.
1. Остатки муниципальных твердых отходов
Твердые отходы (МТО) получают из отходов, образующихся в частных домах, магазинах, офисах и учреждениях, а также из отходов, которые не отнесены к опасным и по своей природе или составу сопоставимы с отходами, образующимися в перечисленных выше местах или при осуществлении аналогичной деятельности. Состав муниципальных отходов был следующим:
1.1 Состав
МТО всегда отличаются вариациями пропорций разных материалов. Ниже приведена типичная проба общего состава муниципальных твердых отходов. Указанные отходы были классифицированы до разделения на органические и неорганические. В этом примере переработке подвергали только органические материалы.
Таблица 2.
Компоненты обрабатываемого органического вещества
Перерабатываемый материал (превращаемый в продукт)ОБЩАЯ МАССА ВО ВЛАЖНОМ СОСТОЯНИИ 200 кг ОБЩАЯ МАССА СУХОГО ВЕЩЕСТВА 163,4 кг (18,3% влажности)
Материал, подвергаемый не демолекуляризации, а стерилизации
Бумага и картон. Газеты, журналы, картонная упаковка, бумажная тара, картон и т.п.
19%
Стекло: стеклянная тара, банки, бутылки и т.п.
38 кг
Органические остатки. Имеются остатки пищевых продуктов, садоводства и т.п.
36%
Металлы. Жестянки представляют собой остатки инструментов, кухонной утвари, мебели и т.п.
72 г
Текстиль. Одежда и швейные изделия и бытовые декоративные изделия
6%
Бытовое оборудование и брошенные транспортные средства.
12 кг
Отходы, образующиеся при уборке улиц, парков, детских площадок и пляжей.
17%
Строительные отходы
34 кг
Погибшие животные и мебель
4%
Отход и обрезки от строительных работ и мелкого ремонта жилища
8 кг
Древесина. В форме мебели и ящиков.
3%
6 кг
Пластмасса. В форме упаковки и другой вида
15%
30 кг
Другие отходы, производимые в домашних хозяйствах, считаются опасными из-за их токсичности. Такие отходы не являлись частью настоящего примера, но также могут быть обработаны отдельно с применением RMO процесса. Поскольку указанные отходы требуют особого обращения по соображениям безопасности, их обрабатывают отдельно:
- Минеральные смазочные материалы. Продукт, получаемый при эксплуатации транспортных средств.
- Аккумуляторы транспортных средств
- Отходы от электронного оборудования. Мобильные телефоны, компьютеры и т.п.
Бытовые электроприборы. Могут содержать хлорофторуглероды, разрушающие озоновый слой.
- Лекарственные препараты.
- Батареи.
- Химические вещества в форме красок, клеев, растворителей, восков и т.п.
- Термометры.
- Люминесцентные лампы и электрические лампочки.
2. Характеристики и состав материалов, обрабатываемых в настоящем процессе.
2.1. Бумага
Для получения исходного сырья, с деревьев снимают кору, нарезают слоями и в процессе варки получают пасту. Указанную пасту промывают и отбеливают, а затем направляют на производство бумаги или картона. Полученный продукт, например, используют в качестве газетной бумаги, упаковки и т.п. Вклад бумаги в поток отходов является высоким вследствие ее большого потребления на душу населения на год. Бумага составляет 11% от общего состава МТО.
2.2. Пластмасса.
Эти материалы используются нашей цивилизацией сравнительно недавно, на протяжении последнего полвека. Широко применяются практически в каждой отрасти благодаря их универсальности, простоте изготовления, низкой стоимости, устойчивости к факторам окружающей среды, прозрачности и т.п.
Пластмассу производят путем смешивания одного или более полимеров с добавками и наполнителями для получения материала со специальными свойствами.
Полимеры представляют собой синтетические макромолекулы, структурное звено которых представляет собой мономер. В результате протекания большого количества реакций полимеризации образуется макромолекула.
Пластмассы имеют органическую природу и по существу состоят из углерода и водорода и других элементов в меньших пропорциях, таких как кислород, азот, хлор, сера, кремний, фосфор и т.п.
Пластмассы можно получить из природных ресурсов, возобновляемых или нет, хотя следует отметить, что все промышленные полимеры получают из нефти.
Полимеры являются природными материалами, производимыми нефтяной промышленностью посредством реакций синтеза, что делает их очень стойким и фактически неизменяемым материалом.
Благодаря последней особенности они сохраняются на свалках на протяжении длительного периода времени после захоронения. Различают три основные группы полимеров:
- Термопластмассы,
- Термоотверждающиеся пластмассы,
- Эластомеры.
Термопластичные полимеры размягчаются при нагревании, что позволяет им течь, а когда температура опять падает, они становятся твердыми и жесткими. Это свойство обусловлено наличием неупорядоченных макромолекулярных цепей, связанных только слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Такие полимеры лучше всего использовать в упаковочной промышленности.
К термопластичным полимерам относятся:
- Полиолефины. Дополнительно подразделяются на:
1. ПЭНП (полиэтилен низкой плотности).
2. ПЗВП (полиэтилен высокой плотности).
3. ПП (полипропилен).
- ПХВ (поливинилхлорид).
- ПС (полистирол).
- ПЭТФ (полиэтилентерефталат)
Термоотверждающиеся полимеры не размягчаются или не текут при нагревании, но разрушаются, если температура продолжает подниматься. Поэтому их нельзя расплавить повторно. Они состоят из макромолекулярных цепей, связанных вместе сильными ковалентными связями.
К термоотверждающимся полимерам относятся:
- Фенольная смола.
- Аминосмолы.
- Полиэфирные смолы.
- Эпоксидные смолы.
- Полиуретаны.
Наконец, эластомерные полимеры содержат цепи, связанные сильными ковалентными связями. Их структура позволяет им легко деформироваться под действием внешней силы и сразу же восстанавливать первоначальный размер и/или форму после удаления внешней силы.
Примерами являются:
- ПК (природный каучук).
- СБК (синтетический бутадиенстирольный каучук).
EPM-EPDM (каучук насыщенный стиролом-пропиленом).
- ХК (хлоропреновый каучук).
Пластмассы составляют 8% от общего состава МТО.
2.3. Упаковки тетра-пак
Их продажа началась в 1963 году. Многокомпонентные контейнеры изготавливаются из листа картона, алюминия и других пластмасс.
Упаковки тетра-пак сделаны из бумаги и картона и отпечатаны в соответствии с коммерческим дизайном. Далее их ламинируют алюминиевой фольгой и, в конце, полиэтиленовой пленкой. Рулоны полученного таким образом материала применяют для производства упаковочной тары.
RMO процесс является оптимальным способом обработки такого материала. Пленку из пластмассы и картон полностью разделяют посредством процесса радиолиза и превращают под действием фотонов в уголь, топливный газ, асфальт, кислоты и топливо. Алюминиевую фольгу, которая не подвергается окислению при потере массы в рамках указанного процесса, удаляют.
2.4. Органические остатки.
Органические остатки представляют собой остатки пищевых продуктов, приготовленных или нет, и отходы садоводства и т.п.Их химический состав хорошо известен: среди прочего жиры, углеводы, белки.
Органические вещества составляют 50% бытовых отходов.
2.5. Текстиль, древесные органические отходы.
Текстиль, древесина и мебель представляют собой последнюю фракцию МТО. Они не являются вредными сами по себе, но могут создать проблему, обусловленную их размерами. Так обстоит дело в случае матрасов, мебели и т.п.Указанные материалы не являлись частью настоящего примера, но могут быть полностью переработаны с помощью RMO процесса.
2.6. Другие отходы.
Эта группа имеет неоднородный состав и много компонентов можно безопасно переработать в RMO процессе по отдельности и/или вместе с другими способами. Указанные отходы не являются частью настоящего примера, поскольку они требуют особого внимания, так как некоторые из них могут являться опасными отходами.
Различные законы в разных странах включают специальные правила, регулирующие обращение с РСВ, отработанными маслами и батареями вследствие их загрязняющей природы. Полихлорированные трифенилы и полихлорированные бифенилы (РСВ) применяют в качестве теплоносителей или гидравлических жидкостей и присутствуют в холодильниках.
Батареи представляют собой электрохимические устройства, которые могут превращать химическую энергию в электричество. Они могут содержать опасные материалы, такие как ртуть, кадмий, цинк, свинец, никель и литий. Имеется несколько видов батарей:
- Щелочные.
- Углецинковые.
- Литиевые пуговичного типа.
- Ртутные пуговичного типа и цилиндрические.
- Никель-кадмиевые.
- Серебряные пуговичного типа.
- Цинковые пуговичного типа.
Простая ртутная батарея может загрязнить 2 миллиона галлонов воды до уровней, вредных для здоровья.
Не все батареи имеют одинаковый потенциал загрязнения окружающей среды. Некоторые из них повторно используют в качестве источника оксида ртути, оксида серебра и никеля/кадмия, но другие не используют, например, щелочные и цинково-свинцовые. Такие батареи следует помещать для захоронения в специальные места.
Люминесцентные лампы и энергосберегающие лампы содержат ртуть, и их не следует удалять вместе с остальными МТО.
Захоронение медицинских препаратов неоднородного состава подвергает опасности окружающую среду, если их смешивают с другими отходами и не обрабатывают отдельно.
Минеральные смазочные материалы, содержащие фенолы, хлорированные соединения, ПХБ и т.п. сильно загрязняют окружающую среду при их сбросе в воду, почву или неправильной обработке, сопровождающейся выбросами в атмосферу.
Краски, растворители, лаки, чистящие средства, проявляющие растворы и т.п. представляют собой опасные отходы и, будучи собранными, нуждаются в специальной обработке.
Электронные устройства представляют собой проблему из-за большого объема, создаваемого после захоронения, имеют длительный срок жизни и распространяются все больше и больше.
Наконец, частью неопасных отходов являются бытовые растительные масла (оливковое, подсолнечное, кукурузное). После их деградации при использовании, например, для жарки, указанные масла становятся отходами. Хотя такие отходы не считаются опасными, их никогда не следует сливать в канализацию из-за их способности образовывать на воде пленку, которая затрудняет надлежащее насыщение кислородом при очистке сточных вод.
3. RMO процесс.
3.1. Исходные условия
Внутренняя температура пустого реакционного сосуда для выполнения фазы b) составляла 383°С, температура реакционного сосуда для выполнения фазы с) составляла 191°С, температура реакционных сосудов для выполнения фазы d) составляла 98°С, температура реакционного сосуда для выполнения фазы е) составляла 10°С. Давление во всех реакционных сосудах было атмосферным.
Масса органического вещества указана в таблице 2 (первая колонка). Общая масса материала составляла 200 кг при содержании влаги 18,3%. Органический материал загружали в нижнюю часть реактора, в технологическую камеру (внутренняя стенка), которую затем вставляли в RMO аппарат во внешний сосуд, применяемый на стадии b). Наружная стенка реакционного сосуда находилась в контакте с горелкой.
3.2. Отчет о процессе
8:13: подача материала в RMO аппарат. Внутренний реакционный сосуд позволяет создать герметичное уплотнение, которое противодействует давлению благодаря наличию безопасных взрывных гидравлических клапанов.
Проведение фотонного облучения отслеживают с помощью измерительных приборов, измеряющих внутреннюю температуру материала. Газификация начинают при давлении 1,015 бар, при этом периферическая температура материала составляет 207,5°С. Указанную температуру увеличивали путем воздействия инфракрасным фотонным излучением со скоростью в среднем 10,4°С в минуту в течение первого часа процесса. Сначала такое увеличение было более быстрым (21°С в минуту в течение первых 12 минут). Внутреннее давление системы также увеличивалось медленно при увеличении температуры.
08:15: процесс протекал одновременно во всех реакционных сосудах RMO аппарата.
Регистрировали внутреннее давление 1,034 бар. В качестве первого продукта получали газообразную смесь горючего газа, состоящую из 48% СО, 23% водяного пара и 29% воздуха, которую в течение первых 10 минут использовали для обратной связи с горелками в смеси из одной объемной части газа, обедненного метаном, и трех объемных частей газа, обогащенного метаном.
08:23: через 8 минут после начала процесса, наблюдали осаждение выделяемой кислоты из реакционного сосуда е). Выделение жидкого углеводорода и асфальта еще не начиналось. Скорость выделения кислоты постепенно увеличивалась. Состав получаемого газа достигает уровней, подходящих для хранения и/или непосредственного применения в топливных горелках для реализации RMO процесса.
08:31: через 16 минут после начала процесса наблюдали первое выделение жидкого углеводорода в реакционном сосуде d). Тем временем, выделение кислоты продолжало расти. Выделение асфальта еще не началось. Скорость выделения жидкого углеводорода также постепенно увеличивалась.
09:08: через 53 минуты после начала процесса началось выделение жидкого асфальта из реакционного сосуда b). Тем временем, выделение кислоты и жидкого углеводорода достигло максимального уровня и сохранялось на нем.
В это время органический исходный материал имел равномерную температуру 835°С. Давление внутри системы достигло своей максимальной величины в этом процессе и составляло 1,077 бар. С этого момента сокращали внешнее воздействие энергии на указанный процесс, поскольку поле фотонного излучения было создано по всему органическому веществу.
Выделение асфальта все еще увеличивалось, тогда как выделение других продуктов постепенно снижалось.
10:30: выделение газа уменьшилось до минимума, тогда как выделение других продуктов продолжалось. Было зафиксировано самое нижнее в этом процессе давление внутри системы, составляющее 1,029 бар.
3
2
В нижнюю часть реакционного сосуда, применяемого на стадии b) вводили водяной пар со скоростью 1 м в минуту в течение от 10 до 15 минут, при этом горелку останавливали, чтобы позволить теплоте, выделяющейся из отходов, образовать такие газы, как водород и CO.
2
Это ускоряло выделение асфальта, кислот и жидких углеводородов из органического материала, который к тому времени был обуглен, и температура постепенно понижалась от 835°С до 400°С. Выделение происходило из трех осадителей. Как было определено в этот момент, выделившийся газ представлял собой водород Н и CO и метан в больших количествах.
10:43: процесс закончился, когда была зафиксирована температура 400°С. В этот момент прекратили нагнетание водяного пара.
10:50: сосуд, содержащий уголь, извлекали и охлаждали в течение 4 часов перед разгрузкой.
10:55: в это время RMO аппарат можно снова использовать для проведения нового процесса путем введения нового сосуда, загруженного новым органическим веществом.
4. Баланс масс в RMO процессе
БАЛАНС МАСС
ОПИСАНИЕ ПРОДУКТОВ
Количество (кг)
% от общей МАССЫ ВО ВЛАЖНОМ СОСТОЯНИИ
% от общей МАССЫ СУХОГО ВЕЩЕСТВА
ПРИМЕЧАНИЯ
Топливный газ ЕСО (метан и другие газы)
27,2
13,60%
16,65%
Плотность газа: 0,48 кг/м<sup>3</sup>
Асфальт
6,2
3,10%
3,79%
Углеводород
32
16,00%
19,58%
Органические кислоты
35,4
17,70%
21,66%
Уголь
62,6
31,30%
38,31%
Вода
36,6
18,30%
Всего
200
100,0%
100,00%
Пример 2. Переработка органического материала из остатков муниципальных твердых отходов (МТО) с применением RMO процесса
ЗАГРУЗКА: сухой органический материал из муниципальных твердых отходов
Примечание: органический исходный материал был измельчен и предварительно высушен до остаточного влагосодержания 11,01%
ОПИСАНИЕ
ЕДИНИЦА
КОЛИЧЕСТВО
% ОТ ЗАГРУЗКИ ВО ВЛАЖНОМ СОСТОЯНИИ
% ОТ ЗАГРУЗКИ В СУХОМ СОСТОЯНИИ (МАСС.%)
Количество влаги в загрузке
Кг
72,60
100,00%
112,37%
СОСТАВ ЗАГРУЗКИ
Кг
64,61
88,99%
100,00%
Остатки пищевых продуктов и кожура фруктов
Кг
22,21
30,59%
34,38%
Пластмасса(полиэтилен, ПВХ и т.п.)
Кг
13,45
18,53%
20,82%
Бумага и картон
Кг
13,75
18,94%
21,28%
Отходы садоводства (биомасса)
Кг
15,20
20,94%
23,53%
Водосодержание влаги
Кг
7,99
11,01%
12,37%
СОСТАВ ПРОДУКТА
ЕДИНИЦА
КОЛИЧЕСТВО
% ОТ ЗАГРУЗКИ ВО ВЛАЖНОМ СОСТОЯНИИ
% ОТ ЗАГРУЗКИ В СУХОМ состоянии(МАСС.%)
Уголь
Кг
22,35
30,79%
34,59%
Асфальт
Кг
3,04
4,19%
4,71%
Жидкий углеводород
Кг
15,04
20,72%
23,28%
Органическая кислота
Кг
14,22
19,59%
22,01%
Горючий газ
Кг
9,96
13,72%
15,42%
Водосодержание влаги
Кг
7,99
11,01%
ОБЩИЙ ВЫХОД ПОЛЕЗНЫХ ПРОДУКТОВ
Кг
64,61
100,00%
Примеры 3. Молекулярная фрагментация с применением RMO хлопкового семени, обработанного инсектицидами, - и превращение в уголь
Идентификация образца
Идентичность образца хлопкового семени
Образец
Обработанный с помощью
Сельскохозяйственный сезон/год
Количество образца (г)
Образец 1
Имидаклоприд 70%
2001
500
Образец 2
Карбосульфан + Витавакс Карбосульфан + (Карбоксин + Тирам)
1997
500
Анализ инсектицидов в образце хлопкового семени
Образец
Активный ингредиент
Результат (мг/кг)
Предел обнаружения (мг/кг)
Метод анализа
Образец 1
Имидаклоприд
81
10
ВЭЖХ
Образец 2
Карбосульфан
2820
2
ГХ-МС
Карбоксин
243
1
ГХ-МС
Тирам
Не определено
10
ГХ-МС
RMO процесс
Образцы хлопкового семени подвергали RMO процессу. Полученный продукт представлял собой уголь.
Результаты анализа инсектицидов в угольном продукте, полученном при демолекуляризации образцов хлопкового семени с применением RMO процесса
Анализ инсектицидов в угольном продукте, полученном из образцов хлопкового семени
Образец
Активный ингредиент
Результат (мг/кг)
Предел обнаружения (мг/кг)
Метод анализа
Образец 1
Имидаклоприд
Не определено
10
ВЭЖХ
Образец 2
Карбосульфан
36
2
ГХ-МС
Карбоксин
2
1
ГХ-МС
Тирам
Не определено
10
ГХ-МС
Определение состава связанных углеродов, золы и летучих веществ в угольном продукте, полученном из образца 1 хлопкового семени
Определяемые вещества
Единица
Полученные значения
Зола
%
12.6
Летучие вещества
%
20.8
Связанный углерод
%
66.6
Оценка результатов анализа полученного угля
- Карбосульфан - после RMO процесса присутствовало следовое количество 1,27% от исходной концентрации, соответствующее 36 мг/кг.
- Карбоксин - после RMO процесса присутствовало следовое количество 0,82% от исходной концентрации, соответствующее 2 мг/кг.