申请日2015.10.23
公开(公告)日2017.09.26
IPC分类号B09B3/00; B01J21/00; B82Y30/00
摘要
一种用于在反应器中使废弃物转化成碳的方法，所述方法包括：a)通过使所述废弃物经受至少3巴的压力和至少250℃的温度来干燥所述废弃物;b)使水蒸汽释放出所述反应器，以及;c)通过在至少5分钟的时段内，使所述废弃物保持至少3巴的压力和至少250℃的温度来使所述废弃物至少部分地碳化，从而获得碳;以及d)可选地，分离非有机材料和所获得的碳。
权利要求书
1.一种用于在反应器中使废弃物转化成碳的方法，所述方法包括：
a)通过使所述废弃物经受至少3巴的压力和至少250℃的温度来干燥所述废弃物;
b)使水蒸汽释放出所述反应器，以及;
c)通过在至少5分钟的时段内，使所述废弃物保持至少3巴的压力和至少250℃的温度来使所述废弃物至少部分地碳化，从而获得碳;以及
d)可选地，分离非有机材料和所获得的碳。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)和步骤c)中，所述压力各自独立地为至少4巴、至少5巴、至少6巴、至少7巴、至少8巴、至少9巴或至少10巴。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤a)和步骤c)中，所述温度各自独立地为至少275℃、至少300℃、至少325℃或至少350℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，所述时段为至少7分钟、至少10分钟、至少15分钟或至少20分钟。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在碳化步骤c)之后，所述方法进一步包括在低于100℃的温度下进行减压和冷却。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，通过加热构件和催化体系来提供所述至少250℃的温度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述催化体系包括：i)至少一种纳米流体水性溶液，以及ii)供应到所述反应器的至少一种导热气体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一种导热气体选自氦气、氢气、CO2、CO、氩气、乙烯、HCl、H2S、氖气以及它们的任意组合。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述至少一种纳米流体水性溶液通过在水中混合二氧化钛纳米颗粒和十二烷基硫酸钠来获得。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述至少一种导热气体是氢气和氦气的非爆炸性混合物，并且氢气通过氢化物粉末供应至所述反应器。
11.一种反应器，所述反应器用于根据权利要求1至10中任一项来将有机材料或废弃物转化成碳。
12.一种催化体系，所述催化体系包括：i)至少一种纳米流体水性溶液，以及ii)如权利要求8或10所限定的至少一种导热气体。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述废弃物选自市政固体废弃物、医院废弃物、药物、屠宰场废弃物、收集自污水的污泥，以及工业有机废弃物。
14.根据权利要求1至10中任一项或者权利要求13所述的方法，其中，所述废弃物包括非有机材料，诸如金属或玻璃。
15.根据权利要求1至10中任一项或者权利要求13或14所述的方法，其中，使所获得的碳的至少一部分再循环来加热所述反应器。
16.根据权利要求11所述的反应器，其中，所述反应器进一步包括：入口，所述入口用于供应如权利要求8或10所限定的至少一种导热气体;以及出口，所述出口用于释放水蒸汽。
17.根据权利要求11或16所述的反应器，其中，所述反应器进一步包括加热系统、冷却系统、气压系统、安全阀以及一个或两个通道。
说明书
有机废弃物的快速干法碳化的方法和装置，与该方法相关的装置和催化体系
技术领域
技术领域涉及使有机废弃物转化为煤、碳化方法和装置，以及催化体系。
背景技术
随着世界人口的增加，所产生的废弃物增加。废弃物对环境、经济以及整个社会的影响正成为地球上的严重问题。
目前，存在处理有机废气物的若干种选择。其中一种选择是受控的填埋，受控的填埋以掩埋固体废弃物为基础，并且通过以下来进行：将无害废弃物铺设在地下挖出的层、孔或沟中;压实该无害废弃物;并且在每个工作日结束时用土壤覆盖它们。遗憾的是，该处理导致有毒气体的排放并且可能会由于甲烷积累而引起自燃和爆炸。与受控的填埋相关的主要成本包括土地征用费用，用非渗透性塑料布作为地面的衬壁以防止危险物质泄露至土壤和地下水和含水层，运输至偏远且非常大的填埋场，以及连续监控/处理以避免过量甲烷积累。如果存在泄露或甲烷的积累，则在倾倒之前，需要对填埋场进行维修。
有氧消化技术和厌氧消化技术或者堆肥技术涉及通过微生物(通常为细菌和真菌)将有机废弃物分解为更简单的形式。这些微生物将废弃物中的碳作为能源使用。含氮材料的分解使得原材料分解成更一致的产物(可用作土壤富集)。在该过程中所产生的热杀死了许多不需要的生物体，诸如杂草种子和病原体。厌氧堆肥导致部分的废弃物的发酵。通常，对于这些技术，需要较大的空间，这也可能是昂贵的。堆肥的过程厌氧地产生生物气(例如，甲烷氨和二氧化碳)。由于厌氧堆肥发生在密封的无氧环境或在水中进行，有机材料的分解可能由于含硫化合物(诸如硫化氢)的释放而产生非常令人不愉快的气味。厌氧堆肥的主要缺点之一是如果堆肥没有足够的时间(至少一年)来发酵以及分解生物质原料，则堆肥存在含有有害病原体的风险。此外，如果发生泄露，则地下水可能受到污染。此外，通过堆肥所产生的肥料质量差，这是由于碳和氮被转化成二氧化碳和氨而导致含碳和氮较少。
甲烷化是一种这样的废弃物处理方法：其中，通过来自废弃物处理厂以及甚至填埋地的许多不同类型的动物源有机物质和植物源有机物质的发酵来自然地产生生物气。甲烷化可提供加热、电力或燃料。然而，甲烷化是导致甲烷和二氧化碳产生的复杂过程;与其它现有技术相比，该甲烷化，特别是基于生物甲烷化技术的那些项目是高度资本密集的，这是由于该技术需要关键且昂贵的装备;并且甲烷化不适用于含少量有机降解物质的废弃物。此外，需要泄露防护来避免地下废弃物污染。
焚烧是一种废弃物热处理，涉及废弃物材料中所含的有机物质的燃烧，将其转化为灰分和烟道气。该灰分主要由废弃物的无机组分形成，并且可为烟道气所携带的固体块或颗粒的形式。在所生成的烟道气排放到大气之前，必须对其进行清洁以去除可能的有毒污染物。在一些情况下，通过焚烧所产生的热可用于通过蒸汽来产生电力。其可降低废弃物的体积和重量。遗憾的是，其还可导致有毒气体(如二噁英)、呋喃和NOx气体的排放，这需要对空气进行监控和处理。焚烧厂的成本是高的，并且操作人员需要是熟练且经训练的。此外，一些废弃物材料需要额外的燃料来焚烧它们。
废弃物气化涉及通常在超过700℃的温度下，碳质原料与含氧试剂(通常是氧气、空气、蒸汽或二氧化碳)的反应。其涉及物质的部分氧化，这意味着加入氧，但是氧的量不足以使燃料被完全氧化和发生完全燃烧。该过程大量放热，但是可能还需要一些热来引发并保持气化过程。主要的产物是含有一氧化碳、氢气和甲烷的合成气。通过气化产生的其它主要产物是不燃材料(灰分)的固体残余物，其含有相对低水平的碳。在气化期间，焦油、重金属、卤素和碱性化合物释放至产物气体中，并且可导致环境和操作问题。焦油是高分子量有机气体，其破坏重整催化剂、除硫系统、陶瓷过滤器并且增加了锅炉中以及其它金属和耐火材料表面上的渣化的发生。碱可导致在一些气化系统中所使用的硫化床中聚集体的增加，并且也可在燃烧期间破坏燃气涡轮。重金属是有毒的，并且如果释放到环境中则会产生积累。卤素是腐蚀性的，并且如果排放到环境中则导致酸雨。
等离子体电弧技术基于供应到两个电极之间产生电弧的气炬(torch)上的电力。然后，通过电弧将惰性气体加热至极高的温度。由于该极高的温度，废弃物气化。在该温度下，所有的无机材料，诸如金属、二氧化硅、混凝土、砾石、玻璃等，或者有机材料发生玻璃化，并且在冷却后，落到炉的底部。在排放之前，应当储存所得材料来进行冷却。通常在处理危险废弃物中使用该技术。这是一个非常复杂和非常昂贵的技术。该技术需要连续地更换等离子体气炬，并且其产生非常高且不可接受的噪声污染。
热解是一种热分解，即，热化学分解，其在有机材料暴露于高温且不存在氧气、湿气和任何卤素的情况下发生。热解需要在有机材料进入反应腔室之前，对该有机材料进行干燥(通过低于10%的水分)。热解涉及化学组成和物理状体的不可逆的且同时性变化。其在1巴至4.5巴的压力且在400℃至600℃(有时高达1200℃)的温度下进行，并且停留时间为数小时。通常，有机物质的热解产生气体和液体(水和生物油)产物，并且产生富含碳含量和炭的固体残余物。热解在化学工业中大量使用。其也是在将木材烧成木炭中所涉及的过程，并且也可在固体燃料燃烧的火灾中发生或者在火山熔岩中当植被与岩浆接触时发生。极度热分解，主要产生碳作为残余物，也被称为碳化。缺点是在进入热解单元前，必须将废弃物切成碎片或进行分离以防止进料和运输系统的堵塞。其导致高浓度的CO气体的产生，该高浓度的CO气体需要处理。此外，热解油和焦油含有有毒的致癌化合物。
确实存在一种用于废弃物处理方法的未解决的需要，该废弃物处理方法与现有技术相比，至少成本更低、需要更小的空间、环境友好无污染物排放、速度快，或者能够将废弃物体积降低至最低。
WO 2008081407A2(Antacor Ltd.)公开了水热碳化，即，固液加热系统，其中，压力被调节至至少7巴，并且在10巴至34巴之间变动;温度在100℃和300℃之间变动。处理时间为至少2小时并且可为12小时至60小时。起始材料必须切割为毫米级。该方法需要通过在酸中温育材料2小时至6小时来进行预处理。在处理前和处理后，必须加入催化剂。该催化剂是二元羧酸或三元羧酸或硫酸。金属也可用作催化剂，这些金属是重金属并且可能是有毒的。该过程在处理过程中采用液体喷射混合泵。在处理之后，终产物是一种泥浆，并且需要移除水，并且对材料进行干燥。通过纳米过滤或反渗透对水进行处理。该过程基于美拉德(Maillard)反应(氨基酸和还原糖之间的化学反应)，其涉及三个阶段的处理。终产物是泥炭、褐煤、黑煤腐殖质(一种肥料)。最终产物包括65%的原起始物质。在所述方法中，使用还原性氢气、O2和N2。
黎巴嫩专利LB 9444(Dr.Jamil Rima)要求保护一种将固体有机废弃物转化成煤的湿法碳化过程。将以下条件施加至反应器中：1)将气压固定为10巴;2)将温度固定为450℃;3)引入由石墨和氦气制成的催化剂。根据该公开，在将垃圾引入到反应器之后且在恰当的调节之后，有机材料在十五分钟内转化成碳并且不产生有毒排放物。遗憾的是，在反应器中存在水而由此干扰碳化反应时，该方法不能进行。得到的是炭，而不是煤。值得注意的是，有机废弃物具有70%至80%的水含量。
Rima等人(Journal of Applied Sciences Research,9(3):1666-1674,2013)公开了利用高压和高温的碳化过程处理医疗废弃物和市政废弃物来用于煤产生。根据该过程，得到了炭。没有提供关于用于有机固体废弃的碳化的催化剂、机理和条件的任何细节。
WO 2014/032844A1(Hempel AS)公开了一种抗腐蚀涂覆组合物，包括：粘合剂体系、锌颗粒、中空玻璃微球以及导电颜料，如石墨。
本发明的目的是提供一种方法，该方法能够使有机废弃物碳化，而不产生任何有毒排放物，其中，有机废弃物包括但不限于市政固体废弃物、大多数医院废弃物、过期药物、屠宰场废弃物、收集自污水的污泥以及工业有机废弃物。
本发明的目的是提供与现有技术相比，需要相对较少投资的废弃物处理方法、装备和材料。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法由于其需要极少的劳力和能源而具有低操作成本。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法是快速的，需要15分钟至35分钟的时段将废弃物转化为碳。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法是通用的，该处理方法在起始材料具有大于80%湿气时能够进行，或者在存在卤素的情况下进行，或者在应用该处理工艺之前，需要对废弃物进行最少的分拣。
本发明的目的是提供一种废弃物处理装备，该废弃物处理装备需要较小的操作面积并且是耐久的。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法是碳平衡的(或者甚至在一些情况下，是碳减少的)，从而不会产生污染，没有有毒排放物，并且因此是环境友好的。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法产生高品质碳，该高品质碳可用于能源或作为能源来出售。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法产生随后被冷却且转化成蒸馏水的蒸汽。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法既降低废弃物的体积又降低废弃物的重量。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法在处理之前，需要最小程度的因不能转化成碳的非有机废弃物(诸如金属或玻璃)而进行的分拣。
本发明的目的是提供一种废弃物处理方法，该废弃物处理方法能够处理大多数的医疗废弃物，而无需传统灭菌且不会产生有毒排放物。
本发明试图满足上述提及的目的中的至少一个。
令人惊奇地，本发明人已经发现通过微调反应器中应用的条件和步骤(理念上涉及碳化开始之前废弃物的完全干燥，即，基本上去除水)，来产生完全优化的碳化过程。
令人惊奇地，本发明人已经发现，通过使加热速率和加压速率的加速，获得了改进的方法，在该改进的方法中，在约5分钟至35分钟内使全部的起始材料碳化。
令人惊奇地，本发明人还发现，通过选择合适的催化剂混合物，改善了热量在正在处理的废弃物中的恰当分布。
令人惊奇地，本发明人还发现，通过用一种催化剂组合物涂覆反应器的内壁，每次运行仅需要外部的催化气体的补给，其中，该催化气体在瓶中提供，从而极大地简化了该方法。
令人惊奇地，本发明人还发现，每次运行仅需要外部的混合有纳米流体的催化气体的补给，从而极大地简化了该方法。