DE60314504T2

DE60314504T2 - Verfahren zur behandlung von abfallströmen

Info

Publication number: DE60314504T2
Application number: DE60314504T
Authority: DE
Inventors: James Titmas
Original assignee: Eau Viron Inc
Current assignee: Eau Viron Inc
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: AU2003223498A1; US6716360B2; EP1494972A4; EP1494972A1; EP1494972B1; ES2289281T3; DE60314504D1; US20030192834A1; ATE365145T1; WO2003089379A1; CA2482710A1; CA2482710C

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, durch das ein Schlamm-Abfall-Produkt in nützliche Materialien dadurch umgewandelt werden kann, dass man ein neues Schwerkraft-Druck-Gefäß verwendet.
Hintergrund der Erfindung
Schwerkraft-Druck-Gefäße wurden bei der Behandlung von Abfall-Strömen verwendet. Speziell hat diese Behandlung eingeschlossen eine Pyrolyse, eine unter-kritische Naß-Oxidation, eine über-kritische Naß-Oxidation und eine saure Hydrolyse von Abfall-Strömen. In den Fällen, in denen eine Naß-Oxidation angewendet wird, kann die Behandlung die vollständige Oxidation der Materialien in dem Abfall-Strom oder die gesteuerte oder beherrschte Oxidation dieser Abfall-Materialien einschließen. In jedem der beiden Naß-Oxidations-Verfahren wurde Sauerstoff-Gas (O₂) als der Recktand verwendet.
Die Verwendung von O₂ als Recktand in einem Schwerkraft-Druck-Gefäß kann jedoch nachteilig sein. Um zu beginnen: O₂ ist ein nicht bequem verfügbares Produkt oder Nebenprodukt der Abfall-Behandlung, und daher muss der O₂ erhalten werden, d. h. er muss gekauft werden, was teuer sein kann. Die Verwendung von O₂ als Recktand ist auch problematisch dahingehend, dass sie Sicherheits-Risiken bietet. Beispielsweise muss der O₂ an den Stellen, an denen der O₂ in das Schwerkraft-Druck-Gefäß am oberen Ende oder nahe dem oberen Ende des Reaktors eingeleitet wird, mit einem Druck eingeleitet werden, der größer ist als der Druck am Punkt der Einspeisung am unteren Ende des Reaktors. In manchen Gefäßen könnte dieser Druck ein Wert in der Höhe von 13,8 bis 27,6 MPa (2.000 bis 4.000 psi) haben. Weiter erwärmt sich in den Fällen, in denen der O₂ am oberen Ende des Reaktors zugeleitet wird, der O₂ auf Temperaturen eines hohen Werts von beispielsweise 399 °C (750 °F), wenn der O₂ zum unteren Ende des Reaktors strömt. Bei diesen Temperaturen und Drücken ist der O₂ extrem reaktiv und kann zusätzlich dazu, Sicherheitsprobleme zu präsentieren, tatsächlich die Reaktor-Leitungen zerstören, die dem O₂ zum unteren Ende des Reaktors liefern.
Versuche zur Lösung der Probleme, die mit der Verwendung von O₂ als Recktand verbunden sind, wurden vorgeschlagen. In einem Beispiel lehrt der Stand der Technik ein Konstruieren einer Pumpen-Station tief innerhalb der Schichten, wodurch O₂ in den Reaktor bei einem Druck am Punkt des Eintritts gepumpt werden könnte. Dieses Verfahren ist natürlich teuer und anfällig für mechanische Störungen.
Andere Versuche haben Vorschläge zum Einführen von Sauerstoff in den Abfall-Strom eingeschlossen, wenn sich der Abfall-Strom im Reaktor herunterbewegt. Diese Verfahrensweise zeigte sich jedoch als problematisch, weil die Oxidations-Reaktion begann, wenn das Fluid zum unteren Teil des Reaktors strömte und daher das Vermögen, eine Peak-Reaktions-Temperatur zu erreichen, behindert war. Als Ergebnis trat ein unzureichender Abbau von Abfall-Produkten ein.
In noch anderen Anwendungen der Naß-Oxidation wird Wasserstoffperoxid als flüssige Form von Sauerstoff verwendet. Wasserstoffperoxid ist einige Male teurer als Sauerstoff-Gas unter Druck, und das Vor-Heizen von Wasserstoffperoxid führt dazu, dass es sich zersetzt, was eine Steuerung der Netto-Einfüllung in ein Schwerkraft-Druck-Gefäß problematisch macht. Die Verwendung von Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel in einer Naß-Oxidation ist damit auf Einheiten mit kleiner Kapazität begrenzt, die Gebrauch von einer Pumpe und einem Reaktor-Tank machen, der keine signifikante Vor-Heizung des zugeführten Sauerstoffs einschließt.
Obwohl zahlreiche Probleme bei der Naß-Oxidation von Abfall-Strömen mit Schwerkraft-Druck-Gefäßen aufgetreten sind, haben Naß-Oxidations-Behandlungs-Prozesse ein signifikantes Potential für die effiziente und umweltverträgliche Behandlung von Abfall-Strömen. Dementsprechend bleibt ein Bedarf zur Verbesserung bei diesen Prozessen, speziell bei derartigen Prozessen.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Abfall-Stroms bereit, wobei das Verfahren einschließt die Schritte einer Bereitstellung eines Abfall-Stroms, der Abfall-Feststoffe einschließt, die in Wasser suspendiert sind; ein Zuführen des Abfall-Stroms zum oberen Ende einer hydraulischen Abstrom-Säule; ein Leiten des Abfall-Stroms zum unteren Ende der hydraulischen Abstrom-Säule; ein Leiten des Abfall-Stroms zu einer ersten Reaktions-Zone; ein Einleiten von Stickstoff enthaltenden Oxiden in die erste Reaktionszone, so dass der Abfall-Strom mit den Stickstoff enthaltenden Oxiden in Kontakt gebracht wird; ein Leiten des Abfall-Stroms durch eine hydraulische Aufstrom-Säule nach oben in eine zweite Reaktionszone, wobei die zweite Reaktionszone so konfiguriert ist, dass sie ausreichend Zeit bereitstellt, so dass eine Reaktion zwischen den Stickstoff enthaltenden Oxiden und den Abfall-Feststoffen stattfindet; ein Einleiten von Sauerstoff-Gas in den Abfall-Strom, nachdem die Stickstoff enthaltenden Oxide verbraucht sind in die zweite Reaktionszone, wodurch man einen zweiten Reaktanden bereitstellt, der mit Abfall-Feststoffen reagiert, die innerhalb des Stroms suspendiert sind; Leiten des Stroms zum oberen Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule, wobei der Schritt eines Einführens Stickstoff enthaltender Oxide zur Bildung von Ammoniak führt und wobei das Ammoniak aus dem Strom gewonnen wird, nachdem der Strom zum oberen Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule (83) geleitet wurde.
Die vorliegende Erfindung überwindet in vorteilhafter Weise Probleme, die mit dem Stand der Technik verbunden waren, indem Oxide von Stickstoff als zusätzliches oder alternatives Oxidationsmittel in der Naß-Oxidation von Abfall-Strömen eingesetzt werden. Die Oxide von Stickstoff können dem Reaktor in dem wässrigen Zustand zugesetzt werden, und indem man dies so macht, sind nur minimale Drücke zum Einführen des Oxidationsmittels in dem Reaktor erforderlich. Auch wird durch Verwenden von Stickstoffoxiden Ammoniak als Nebenprodukt der Naß-Oxidations-Reaktion bereitgestellt. Dieses Ammoniak kann in vorteilhafter Weise aufgefangen und als nützliches Produkt beispielsweise bei der Herstellung von Harnstoff verwendet werden. Alternativ kann das Ammoniak in Oxide von Stickstoff umgewandelt und als Recktand in dem Naß-Oxidations-Prozess rezyklisiert werden. Weiter hat die Verwendung von Stickstoff enthaltenden Oxiden als Oxidationsmittel zu der unerwarteten Entdeckung geführt, dass unter-kritische Naß-Oxidations-Prozesse effizienter gemacht werden können, da Massentransfer-Beschränkungen, die mit O₂ verbunden sind, minimiert oder eliminiert werden können.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein schematisches Diagramm des Gesamt-Prozesses und des Gesamt-Systems der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine fragmentierte vertikale Querschnitts-Ansicht eines Schwerkraft-Druck-Gefäßes an Ort und Stelle in den Schichten (Strata).
3 ist eine vertikale Querschnittsansicht des unteren Abschnitts eines Schwerkraft-Druck-Gefäßes.
Die 4A und 4B sind Schnittansichten, aufgenommen entlang 4A-4A und 4B-4B von 2.
5 ist eine fragmentierte vertikale Querschnittsansicht des rohrförmigen Gehäuses innerhalb des Schwerkraft-Druck-Gefäßes.
6 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie 6-6 von 5.
Bevorzugte Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
Der Gesamt-Prozess und die Gesamt-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf 1 beschrieben werden. Fachleute in diesem technischen Bereich erkennen, dass passende Pump-Vorrichtungen und Leitungen verwendet werden können, um Material zwischen den verschiedenen Stufen des Systems zu bewegen, und dass dieser Prozess und dieses System in kontinuierlichem Betrieb gehalten werden können.
Das bevorzugte, durch den Prozess und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu behandelnde Material ist das Schlamm-Abfall-Nebenprodukt, das durch kommunale Abwasser-Behandlungs-Anlagen produziert wird. Diese Schlämme variieren hinsichtlich ihrer Zusammensetzung auf der Grundlage des Orts der Abwasser-Behandlungs-Anlage und der Zeit des Jahres. Im Allgemeinen schließen die Schlämme jedoch von etwa 1 bis etwa 4,5 Gew.-% suspendierter Feststoffe ein, obwohl größere Schwankungen in einigen Stadtbereichen gefunden werden können. Die suspendierten Feststoffe können beispielsweise einschließen Biomassen, suspendierte Mineralien, Detergenzien, Aschen, Metalloxide, Erdpartikel, inerte Materialien, Sandkörner, Polymere, Lebensmittel-Abfälle, Phosphate, Stickstoff und dergleichen. Der Abfall-Strom, z. B. Schlamm, kann als „Roh-Abfall-Strom" bezeichnet werden.
Es wird auf 1 Bezug genommen. Ein Roh-Abfall-Strom 11 wird vorzugsweise innerhalb eines Flutungs- und Misch-Tanks 12 verdünnt. Innerhalb des Tanks 12 wird der Roh-Abfall-Strom vorzugsweise auf weniger als etwa 10 % Feststoffe verdünnt, noch mehr bevorzugt auf einen Wert von etwa 0,5 bis etwa 5 % Feststoffe und noch mehr bevorzugt auf einen Wert von etwa 1 bis etwa 2 Gew.-% suspendierter Feststoffe, d. h. Abfall-Materialien in Wasser. Dieser verdünnte Strom wird dann in eine Naß-Oxidations-Vorrichtung 15 geleitet, wo Sauerstoff und Oxide von Stickstoff als Reaktanden zur Behandlung des Roh-Abfall-Stroms zugesetzt werden. Als Teil dieser Behandlung ist beabsichtigt, dass Sauerstoff und Oxide von Stickstoff genügend Sauerstoff liefern, um organisches Material innerhalb des Abfall-Stroms in Kohlendioxid, Wasser und ein paar einfache organische Säuren umzuwandeln. Auch ist beabsichtigt, dass der Sauerstoff und die Oxide von Stickstoff vollständig mitgerissene Metalle oxidieren und Stickstoffoxide in Ammonium-Ionen umwandeln. Stickstoff-Oxide können einfach als NO_x insoweit bezeichnet werden, als verschiedene Oxide von Stickstoff als Recktand verwendet werden können.
Die Produkte einer Naß-Oxidation, die in dem behandelten Strom nach Entfernen aus der Naß-Oxidations-Vorrichtung 15 eingeschlossen sind, werden vorzugsweise zur Rückgewinnung abgetrennt. In einer Ausführungsform kann dies bewirkt werden durch Einleiten des behandelten Stroms in einen Atmosphären-Tank 7, wo der behandelte Strom im Druck größtenteils herabgesetzt wird. Eine Teilmenge dieses behandelten Stroms kann gegebenenfalls verwendet werden, um den Roh-Abfall-Strom 11 zu verdünnen, indem man ihn über eine Leitung 18 in den Flutungs- und Misch-Tank 12 einleitet.
Kohlendioxid, das als Ergebnis einer Druckabsenkung des behandelten Flüssig-Stroms im Tank 17 freigesetzt wird, kann aufgefangen und je nach Wunsch weiterbehandelt werden. Der Rest des behandelten Stroms kann weiterbehandelt werden, beispielsweise dadurch, dass man den behandelten Strom durch eine Klär-Einrichtung 21 leitet, in der ausgefällte Feststoffe entfernt werden können. Weiteres Kohlendioxid kann von der Klär-Einrichtung 21 entfernt und je nach Wunsch weiterbehandelt werden.
Eine weitere Behandlung des Stroms kann eine Phosphat- und Ammoniak-Entfernung im Tank 24 einschließen. Der pH-Wert des behandelten Stroms innerhalb des Tanks 24 wird vorzugsweise erhöht, z. B. auf einen Wert oberhalb von etwa 8,5 und vorzugsweise oberhalb von 8,9, was die Fällung von Phosphat-Salzen als Feststoffe und die Freisetzung von Ammoniak-Gas bewirkt. Die gefällten Phosphat-Salze können über Leitung 26 entfernt und je nach Wunsch weiterverarbeitet werden. Ammoniak-Gas kann in gleicher Weise gewonnen und je nach Wunsch weiterbearbeitet werden. In einer Ausführungsform kann das Ammoniak aufgefangen und beim Kompressor 67 komprimiert und mit Kohlendioxid unter Bildung von Harnstoff innerhalb des Produktions-Tanks 69 umgesetzt werden. Vorzugsweise wird das Kohlendioxid von dem Kohlendioxid zugeleitet, das von dem Atmosphären-Tank 17 und der Klär-Einrichtung 21 aufgefangen wurde.
Der Rest des behandelten Stroms, der aus dem Tank 24 austritt und von dem das Ammoniak und die Phosphate im Wesentlichen entfernt wurden, kann dann unter Absenkung des pH-Werts (z. B. durch Zugabe von Kohlensäure, die aus dem Kohlendioxid hergestellt werden kann, das aus dem Atmosphären-Tank 17 und der Klär-Einrichtung 21 gewonnen wurde) neutralisiert werden. Der neutralisierte Strom, der im wesentlichen frei von festen Stoffen ist, die sich während der Neutralisation gebildet haben und der von etwa 300 bis etwa 1.000 ppm biologisch abbaubarer gelöster Feststoffe einschließt, kann dann in Richtung auf eine Abwasser-Behandlungs-Anlage geleitet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kohlendioxid, das von dem Atmosphären-Tank 17 und der Klär-Einrichtung 21 aufgefangen wurde, weiterbehandelt. In einem ersten Schritt dieser Behandlung wird der Kohlendioxid-Strom unter Druck gesetzt und in einem Kühler 37 (z. B. auf etwa 15 °C und etwa 1.700 MPa) abgekühlt, um das Kohlendioxid zu verflüssigen.
Der Rest des Stroms kann Rest-Stickstoff- und -Sauerstoff-Gas enthalten, das als Gas gesammelt werden kann oder einfach in die Umgebung freigesetzt wird.
Flüchtige organische Verbindungen, die von dem Tank 17 oder der Klär-Einrichtung 21 gesammelt werden und in einem Kühler 37 behandelt werden, werden typischerweise als Halb-Feststoffe gefällt. Dieser Halb-Feststoff kann angereichert und in einem Chargen-Lade-Prozess extrahiert werden. Diese extrahierten Halb-Feststoffe können dann in einer Brennkammer (nicht gezeigt) verbrannt werden, was typischerweise bei Temperaturen über 1.649 °C (3.000 °F) geschieht, und zwar unter Verwendung von Luft, der Sauerstoff zugesetzt wurde, um die Produktion von NO_x zu verstärken. Die von der Verbrennungskammer freigesetzten Gase, d. h. Abgase, werden vorzugsweise so behandelt, dass die restlichen Säuren, wie beispielsweise Stickstoff enthaltende Säuren, kondensiert und aus dem Abgas entfernt werden können. Die Stickstoff enthaltenden (z. B. NO_x enthaltenden) Säuren, die aus dem Abgas-Strom gewonnen wurden, können dann als Recktand in der Naß-Oxidations-Vorrichtung 15 verwendet werden.
Die Naß-Oxidations-Vorrichtung 15 ist ein Schwerkraft-Druck-Gefäß, das am besten unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wird. Ein rohrförmiges Gehäuse 62, das auch bezeichnet werden kann als Gehäuse in Form eines langen Strangs oder Einkapselungs-Gehäuse, ist in der Gesteinsschicht S in einer Bohrung im Erdreich angeordnet. Ein Gehäuse 50 kann von der Gesteinsschicht S mit einem Injektionskörper getrennt werden und so das Mischen von Fluids gesteuert werden, die innerhalb der Gesteinsschicht S zugegen sein können, um Hitze-Verluste von der Vorrichtung zu reduzieren und das Gehäuse 50 vor nachteiligen korrosiven Wirkungen der Gesteinsschicht S zu schützen. Gegebenenfalls kann ein Oberflächen-Gehäuse 51 verwendet werden, das ein zusätzliches rohrförmiges Element ist, das das Gesteinsschicht-Gehäuse 50 zu Zwecken eines Schützens von Wasser-Schichten während des Bohrers des Bohrlochs für die Kammer in Form eines langen Strangs schützt.
Konzentrisch innerhalb des Gehäuses 50 und mit Abstand davon ist angeordnet eine äußere Gefäß-Wand 52, die ein unteres geschlossenes Ende 53 aufweist. Der Raum zwischen dem Gehäuse 50 und der Außen-Gefäß-Wand 52 bildet einen Isolationsring 54, der als gegenseitige Barriere zum Schutz der Gesteinsschicht S vor der Vorrichtung und zum Schutz der Vorrichtung vor der Gesteinsschicht wirkt. Diese Isolation kann verstärkt werden durch Evakuieren des Rings 54 auf einen niedrigeren Druck, wie beispielsweise auf etwa eintausendstel einer Atmosphäre. Unter diesen Bedingungen wird die Unversehrtheit des Gehäuses 50 und der äußeren Gefäß-Wand 52 verifiziert, und Wärmeverluste gegenüber der Gesteinsschicht von der Vorrichtung werden in starkem Maße reduziert, wie auch korrosive Wirkungen auf die Oberfläche sowohl der Gehäuse 50 als auch der äußeren Gefäß-Wand 52.
Konzentrisch innerhalb der äußeren Gefäß-Wand 52 und beabstandet davon gibt es Gegenstrom-Röhren 70, 71 und 72, wie sie in 3 gezeigt sind, die als Wärmetauscher wirken. Der Raum zwischen der äußeren Gefäß-Wand 52 und dem Gegenstrom-Rohr 70 bildet einen äußeren Gefäß-Ring 73, der im wesentlichen ein vertikaler Gang oder eine hydraulische Abstrom-Säule ist, die einen Einlass 55 einschließt, wie er in 2 gezeigt ist, der den Strom aufnimmt und den Strom an das untere Ende 74 des Gefäßes 52 leitet. Das Gegenstrom-Rohr 70 besteht vorzugsweise aus einem Material, das Hitze zwischen dem äußeren Strömungs-Ring 73 und dem inneren Ring 83 leitet, wie sie in 3 gezeigt sind. Konzentration innerhalb des Gegenstrom-Rohrs 70 und beabstandet davon ist ein Innenwandungs-Rohr 57. Der Raum zwischen dem Innenwandungs-Rohr 57 und dem Gegenstrom-Rohr 70 bildet den inneren Gefäß-Ring 83, der einen zweiten vertikalen Gang oder eine hydraulische Aufstrom-Säule definiert, die den Auslass 56 einschließt, wie in 2 gezeigt ist.
Wie in den 4A, 4B und 5 gezeigt ist, befinden sich eingeschlossen innerhalb des Innenwand-Rohrs 57 verschiedene Zufuhr-Leitungen, die verwendet werden können, um Reaktanden oder Energie in verschiedene Bereiche innerhalb des Gefäßes zu leiten oder die Leitungen zur Probeentnahme oder zum Bereitstellen verschiedener Vorrichtungen darzustellen, die benötigt werden können, um die Bedingungen innerhalb des Gefäßes zu überwachen. In einer bevorzugten Ausführungsform schließen die Zufuhr-Leitungen eine Sauerstoff-Zufuhr-Leitung 90, eine Dampf-Zufuhr-Leitung 91, eine NO_x-Zufuhr-Leitung 87, eine Säure-Zufuhr-Leitung 88, die auch zum Zuleiten eines Katalysators verwendet werden kann, eine Basen-Zufuhr-Leitung 89, die auch als Probenentnahme-Rohr verwendet werden kann, und ein Thermoelement-Gehäuse 86 ein. Vorzugsweise ist die Dampf-Zufuhr-Leitung 91 innerhalb einer Einbuchtungs-Tasche 93 des Rohrs 57 untergebracht, was es ermöglicht, dass sich die Dampf-Zufuhr-Leitung 91 thermisch ausdehnt oder zusammenzieht. Der Raum zwischen der Dampf-Zufuhr-Leitung 91 und dem Zufuhr-Leitungs-Gehäuse 54 bildet einen Dampf-Zufuhr-Ring 95 in 5, der mit Gas gefüllt werden könnte, z. B. mit Stickstoff oder Luft, um zu verhindern, dass Abfall oder Abwasser in den Ring 95 eintritt. Der Rest des Bereichs innerhalb des Innenrohrs 57, der nicht von den verschiedenen Zufuhr-Leitungen besetzt ist, kann mit einer Isolierung oder mit Injektionsgut 96 gefüllt sein, wie dies in 6 gezeigt ist.
In Bezug auf die Dampf-Zufuhr-Leitung 91 versteht es sich, dass Dampf vorteilhafterweise nur während des Startens des Gefäßes erforderlich ist. Mit anderen Worten: Sobald das Gefäß einmal arbeitet, kann die Wärme, die durch den Betrieb des Gefäßes erzeugt wird, seinen kontinuierlichen Betrieb ohne die Notwendigkeit eines Zuleitens von Energie von Quellen wie beispielsweise Dampf aufrecht erhalten. In einer Ausführungsform endet die Dampf-Zufuhr-Leitung 91 an der Einbuchtung 93 innerhalb eines Service-Innenwand-Rohrs 57, wie dies in 5 gezeigt ist. Die Tiefe, in der die Einbuchtung 93 angeordnet ist, kann gewählt werden auf der Basis einer Anzahl von Parameter einschließlich des Drucks, der erforderlich ist, um Dampf in das Gefäß zu leiten. Beispielsweise wenn Dampf in einer Tiefe von etwa 1.762 m (2.5000 Fuß) eingeleitet wird, können etwa 7,6 MPa (1.100 psi) Druck erforderlich sein, um den Dampf einzuleiten. Alternativ können dann, wenn der Dampf in einer Tiefe von etwa 1.067 m (3.500 Fuß) eingeleitet wird, etwa 10,3 MPa (1.500 psi) Druck erforderlich sein, um den Dampf einzuleiten. In einer anderen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, kann der Dampf auch in den äußeren Gefäß-Ring 73 eingeleitet werden. Diese Einleitung am oberen Ende kann insoweit bevorzugt sein, als der Dampf in einer geringeren Tiefe zugeleitet wird, und daher bei niedrigerem Druck, wobei Hauptbetrachtung der Tatsache gegeben wird, eine Temperatur von etwa 177 °C (350 °F) am unteren Ende des Reaktors, d. h. an der Reaktions-Kammer 58, zu dem Zeitpunkt zu erreichen, wenn der Naß-Oxidations-Prozess zum ersten Mal aktiviert wird.
Es wird erneut auf 3 Bezug genommen. Eine Sauerstoff-Zufuhr-Leitung 90 ist befestigt an einem Sauerstoff-Diffusor 80 und steht mit diesem in Verbindung. Der Sauerstoff-Diffusor 80 schließt vorzugsweise ein poröses Keramik-Material ein, durch das Sauerstoff-Gas diffundieren kann. In einer Ausführungsform schließt der Sauerstoff-Diffusor eine Vorrichtung zum Bewirken eines gewählten Musters eines Fluid-Stroms ein, die offenbart ist in dem US-Patent Nr. 4,874,560 . Eine NO_x-Zufuhr-Leitung ist an dem NO_x-Auslaß 76 befestigt und steht mit diesem in Verbindung. Eine Zufuhr-Leitung 88 und eine Leitung 89 sind mit der Reaktions-Kammer 78 verbunden und stehen mit dieser in Verbindung, und zwar für die oben beschriebenen Zwecke einschließlich der Eingabe eines Katalysators, der Entnahme von Proben oder der Einstellung des pH-Wertes an der Öffnung 77.
Ein inneres Betriebs-Rohr 57 schließt ein unteres Venturi-Rohr 79 und ein oberes Venturi-Rohr 82 ein. Diese Venturi-Rohre sind entlang derselben vertikalen Achse in Bezug auf die Länge des Rohrs 57 angeordnet. Beide Venturi-Rohre 79 und 82 schließen vorzugsweise zwei gegensätzlich gerichtete Kegelstümpfe, die an ihrer Basis miteinander verbunden sind, die das Innenwand-Rohr umschreiben. Als Ergebnis dieser Venturi-Rohre werden die Innenringe 78 bzw. 58 an den Verbindungsstellen 79 und 82 der beiden Basen reduziert. Die Venturi-Rohre 79 und 82 verändern die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wenn es den Ring 73 nach oben steigt, und dienen dazu, das Fluid zu mischen. Auch dienen die Venturi-Rohre 79 und 82 dazu, verschiedene Reaktions-Bereiche innerhalb des Schwerkraft-Druck-Gefäßes 50 zu definieren. Speziell definiert der Bereich unterhalb des unteren Venturi-Rohres 79 nahe dem Unterteil 74 des Gefäßes 52 eine erste Reaktions-Zone 78. Der Bereich zwischen dem unteren Venturi-Rohr 79 und dem oberen Venturi-Rohr 82 definiert eine zweite Reaktionszone 58. Der Bereich oberhalb des oberen Venturi-Rohres 82 definiert eine dritte Reaktions-Zone innerhalb des Innenrings 83. Die gewünschten Reaktionen lässt man bewusst ohne Abbrechen bis zu einem Endpunkt laufen. Als Ergebnis läuft die Reaktion kontinuierlich im gesamten Bereich des Aufstrom-Rings 85 bis zur Erdboden-Oberfläche.
Wie in 3 gezeigt ist, schließen die Gegenstrom-Rohre 70, 71 und 72 vorzugsweise einen oberen Abschnitt 70, einen unteren Abschnitt 71 und eine Leitblech-Vergrößerung 72 zwischen dem oberen Abschnitt 70 und dem unteren Abschnitt 71 ein. Der obere Abschnitt 70 weist einen kleineren Durchmesser auf als der untere Abschnitt 71. Als Ergebnis dieser Konfiguration weist der Innenring 85 eine geringere Gesamtfläche oberhalb des Leitblechs 72 auf, und der Außenring 73 weist eine größere Gesamtfläche oberhalb des Leitblechs 72 auf. In ähnlicher Weise haben die Innenringe 83, 58 und 78 eine größere Gesamtfläche unterhalb des Leitblechs 72 und der Außenring 73 hat eine geringere Gesamtfläche unterhalb des Leitblechs 72.
Während des normalen Betriebs des Schwerkraft-Druck-Gefäßes 52 tritt der Abfall-Strom in das Gefäß 52 beim Einlass 55 ein, wo in Wasser suspendierte Abfälle veranlasst werden, zu einer Zone höheren Drucks innerhalb des äußeren vertikalen Rings 73 abzusteigen. Dieser Druck resultiert von dem kumulierten Gewicht des Stroms sowie von Rest-Drücken von Fluid-Arbeits-Pumpen, die verwendet werden können (nicht gezeigt). Dieser Strom wird durch den Fluid-Strom erhitzt, der im Ring 85 nach oben steigt, und zwar durch Wärme, die durch ein Gegenstrom-Wärmetauscher-Rohr 70 gewonnen wird. Durch Vorheizen des Abfall-Stroms wird die Viskosität des Stromes gesenkt und dabei der Durchlauf des Stroms entlang dem Leitblech 72 in den Bereich von Ring 73 erleichtert, indem die Gesamtfläche beschränkt ist.
Wenn der Strom die erste Reaktions-Zone 78 erreicht, die benachbart dem unteren Teil 74 des Betriebs-Rohrs 71 ist, wird der Strom mit wässrigem NO_x in Kontakt gebracht, das über die Zufuhr-Öffnung 76 eingeleitet wird und über eine Einspeisung ergänzt werden kann, die in die erste Reaktionszone 78 über die Zufuhr-Öffnung 77 eingeleitet wird. Vorzugsweise wird der pH-Wert des Stroms auf einen Wert von etwa 7,5 bis etwa 8,0 eingestellt, je nach Wunsch, um dies mit einer speziellen chemischen Reaktion in Einklang zu bringen. Dies kann nicht erforderlich sein, da der pH-Wert des einlaufenden Abfall-Stroms in gleicher Weise innerhalb des Flutungs- und Misch-Tanks 12 vor dem Eintritt in das Gefäß 52 eingestellt werden kann.
Durch In-Kontakt-Bringen des Abfall-Stroms mit wässrigem NO_x ist es beabsichtigt, dass die Naß-Oxidation der Abfälle innerhalb des Abfall-Stroms in der ersten Reaktions-Zone 78 beginnt. Der Strom, der nun umgesetztes NO_x und Abfälle enthalten kann, bewegt sich weiter im inneren Ring 78 nach oben, wo er mit dem unteren Venturi-Rohr 79 in Kontakt kommt, das ein Mischen induziert. Nach dem unteren Venturi-Rohr 79 tritt der Strom in die zweite Reaktions-Zone 58 ein. Die Länge dieses Reaktions-Bereichs ist vorzugsweise so konfiguriert, dass die Reaktion zwischen dem Sauerstoff, der durch das NO_x bereitgestellt wird, und den Abfällen innerhalb des Stroms im wesentlichen zum Abschluss kommt. In bevorzugten Ausführungsformen, in denen das untere Venturi-Rohr 79 einfach ein passives Mischen des Abfall-Stroms ergibt, ist die Länge der zweiten Reaktions-Zone 58 vorzugsweise so konfiguriert, dass sie eine Reaktions-Zeit von etwa 3 bis etwa 6 Minuten bereitstellt.
Der Strom wird dann mit Sauerstoff in Kontakt gebracht, der in die zweite Reaktions-Zone 58 über den Diffusor 80 freigesetzt wird. Vorzugsweise wird der Sauerstoff in die zweite Reaktions-Zone 58 an einer Stelle nahe dem oberen Venturi-Rohr 82 eingeleitet, so dass der Sauerstoff den Strom an einer Stelle kontaktiert, die unmittelbar vor dem Punkt liegt, an dem der Strom mit dem oberen Venturi-Rohr 82 in Kontakt kommt. Das obere Venturi-Rohr 82 induziert ein Mischen des Stroms, wenn der Strom in die dritte Reaktions-Zone 83 eintritt. Die dritte Reaktions-Zone 83 ist so konfiguriert, dass sie eine adäquate Reaktions-Zeit ermöglicht, um die Oxidation von allem organischen Müll vollständig abzuschließen, der in dem Abfall-Strom eingeschlossen ist. Wie Fachleute mit Sachverstand in diesem technischen Bereich erkennen, sollte diese Reaktionszeit vorzugsweise den Massen-Transfer berücksichtigen, der erforderlich ist, um den Sauerstoff zu lösen, der in dem Strom suspendiert ist. Es wird davon ausgegangen, dass – sobald der Sauerstoff einmal gelöst ist – die Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem organischen Müll innerhalb des Abfall-Stroms nahezu augenblicklich abläuft.
Es wird davon ausgegangen, dass dann, wenn der Strom durch die dritte Reaktions-Zone 83 hindurchläuft, die Oxide von Stickstoff und andere Stickstoff enthaltende Verenabindungen innerhalb des Abfall-Stroms mit Wasserstoff von dem organischen Müll unter Bildung von Ammonium-Ionen und Kohlendioxid reagieren. Der Sauerstoff kann mit dem organischen Müll reagieren oder dazu dienen, Metalle bis zu ihrer höchsten Oxidations-Stufe zu oxidieren, was für die meisten Metalle zu einem Metalloxid-Niederschlag führt. Sobald der Strom durch die dritte Reaktions-Zone 83 hindurchläuft, erreicht der Strom das Leitblech 72, wo die Fläche innerhalb des inneren Reaktor-Rings 85 reduziert wird. Die Länge des inneren Reaktions-Rings 85 oberhalb des Leitblechs 72 wird vorzugsweise durch Wählen der Gesamt-Länge des Gefäßes 52 so gewählt, dass Druck innerhalb des Reaktors abgebaut wird, der durch die Konvektiv-Kräfte erzeugt wird, die von der Differenz zwischen der Gesamt-Dichte der nach unten strömenden und nach oben strömenden Fluids resultiert.
Wie oben angemerkt, sind die Prozesse der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, wenn man bei unter-kritischen Naß-Oxidations-Bedingungen arbeitet. Für Zwecke der vorliegenden Beschreibung schließen unter-kritische Naß-Oxidations-Prozesse solche Prozesse ein, die durchgeführt werden bei Temperaturen von etwa 288 °C (550 °F) bis etwa 374 °C (705 °F) und Drücken von etwa 5,5 bis etwa 20,7 MPa (800 bis etwa 3.000 psi). Zwar sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet auf unter-kritische Naß-Oxidation-Prozesse; die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch nützlich bei über-kritischen Naß-Oxidations-Prozessen, die typischerweise durchgeführt werden bei Temperaturen und Drücken oberhalb derjenigen Bedingungen, die man bei unter-kritischen Naß-Oxidations-Prozessen erfährt.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Abfall-Stroms, wobei das Verfahren die folgenden Schritte einschließt: – Bereitstellen eines Abfall-Stroms (11), der Abfall-Feststoffe einschließt, die in Wasser suspendiert sind; – Zuführen des Abfall-Stroms zum oberen Ende einer hydraulischen Abstrom-Säule (73); – Leiten des Abfall-Stroms zum unteren Ende der hydraulischen Abstrom-Säule; – Leiten des Abfall-Stroms zu einer ersten Reaktions-Zone (78); – Einführen Stickstoff enthaltender Oxide in die erste Reaktionszone, so dass der Abfall-Strom mit den Stickstoff enthaltenden Oxiden in Kontakt gebracht wird; – Leiten des Abfall-Stroms durch eine hydraulische Aufstrom-Säule (83) nach oben in eine zweite Reaktionszone (58), wobei die zweite Reaktionszone so konfiguriert ist, dass sie ausreichend Zeit bereitstellt, so dass eine Reaktion zwischen den Stickstoff enthaltenden Oxiden und den Abfall-Feststoffen stattfindet; – Einleiten von Sauerstoff-Gas in den Abfall-Strom in der zweiten Reaktionszone, nachdem die Stickstoff enthaltenden Oxide verbraucht sind, wodurch man einen zweiten Reaktanden bereitstellt, der mit den Abfall-Feststoffen reagiert, die innerhalb des Stroms suspendiert sind; – Leiten des Stroms zum oberen Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule (83), worin der Schritt eines Einführens Stickstoff enthaltender Oxide zur Bildung von Ammoniak führt und wobei das Ammoniak aus dem Strom gewonnen wird, nachdem der Strom zum oberen Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule (83) geleitet wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärme, die aus den Reaktionen zwischen den Abfall-Feststoffen und den Stickstoff enthaltenden Oxiden oder dem Sauerstoff resultiert, von der hydraulischen Aufstrom-Säule (83) zu der hydraulischen Abstrom-Säule (73) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die hydraulische Abstrom-Säule am oberen Ende der Säule eine größere Fläche aufweist als am unteren Ende der Säule.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Druck, den der Abfall-Strom am unteren Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule erfahrt, etwa 800 bis etwa 3.000 psi (5,5 bis 20,7 MPa) ist, gegebenenfalls 1.800 bis etwa 2.700 psi (12,4 bis 18,6 MPa).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4, worin die Temperatur des Abfall-Stroms am unteren Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule etwa 550 bis etwa 680° F beträgt (288 bis 360° C).
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, worin die Fläche der hydraulischen Aufstrom-Säule innerhalb der ersten Reaktionszone (58) maximiert ist, um die Reaktion zwischen den Stickstoff enthaltenden Oxiden und den Abfall-Feststoffen innerhalb des Stroms zu erleichtern.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, worin das Ammoniak mit Kohlendioxid unter Bildung von Harnstoff umgesetzt wird.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin der Schritt des Einleitens Stickstoff enthaltender Oxide zur Bildung von Kohlendioxid führt und worin das Kohlendioxid aus dem Strom gewonnen wir, nachdem der Strom zum oberen Ende der hydraulischen Aufstrom-Säule geleitet wurde.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Kohlendioxid mit Ammoniak unter Bildung von Harnstoff umgesetzt wird.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin Dampf in die hydraulische Aufstrom-Säule oberhalb der zweiten Reaktionszone eingeleitet wird und worin der Dampf mit einem Druck eingeleitet wird, der geringer ist als der Druck, der am unteren Ende der hydraulischen Abstrom-Säule erfahren wird.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, welches durchgeführt wird in einem Schwerkraft-Druck-Gefäß.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, worin die Querschnittsfläche der hydraulischen Abstrom-Säule (73) größer ist am oberen Ende der Säule als am unteren Ende der Säule (73) und worin die Querschnittsfläche der hydraulischen Aufstrom-Säule (83) am oberen Ende der Säule kleiner ist als am unteren Ende der Säule (83).
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Verfahren in einem Schwerkraft-Druck-Gefäß durchgeführt wird, das umfasst: – ein rohrförmiges Gehäuse (50), das in einem Loch in der Erde angeordnet ist; – konzentrisch mit und beabstandet von dem Gehäuse (50): eine äußere Gefäß-Wandung (52), die ein unteres geschlossenes Ende (53) aufweist; – konzentrisch mit und beabstandet von der äußeren Gefäß-Wandung (52): Gegenstrom-Rohr-Elemente (70, 71, 72), die bei Gebrauch als Wärmetauscher wirken, wobei der Raum zwischen der äußeren Gefäß-Wandung (52) und einem Gegenstrom-Rohr-Element (70) die hydraulische Abstrom-Säule (73) bildet; – konzentrisch mit und beabstandet von dem Gegenstrom-Rohr-Element (70): ein Innenwand-Rohr-Element (57), wobei der Raum zwischen dem Innenwand-Rohr-Element (57) und dem Gegenstrom-Rohr-Element (70) die hydraulische Aufstrom-Säule (83) bildet; und worin das Gegenstrom-Rohr-Element (72) eine Leitblech-Ausweitung ist, die zwischen einem oberen Rohr-Abschnitt (70) und einem unteren Rohr-Abschnitt (71) angeordnet ist, so dass der obere Abschnitt (70) einen engeren Durchmesser aufweist als der untere Abschnitt (71) und die hydraulische Aufstrom-Säule (83) eine geringere Gesamtfläche oberhalb der Leitblech-Ausweitung (72) aufweist als unterhalb der Leitblech-Ausweitung (72) und die hydraulische Abstrom-Säule (73) eine größere Gesamt-Fläche oberhalb der Leitblech-Ausweitung (72) aufweist als unterhalb der Leitblech-Ausweitung (72).
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, worin das Verfahren in einem Schwerkraft-Druck-Gefäß durchgeführt wird, das umfasst: – ein rohrförmiges Gehäuse (50), das in einem Loch innerhalb der Erde angeordnet ist; – konzentrisch mit und beabstandet von dem Gehäuse (50): eine äußere Gefäß-Wandung (52), die ein unteres geschlossenes Ende (53) aufweist; – konzentrisch mit und beabstandet von der äußeren Gefäß-Wandung (52): Gegenstrom-Rohr-Elemente (70, 71, 72), die im Gebrauch als Wärmetauscher wirken, wobei der Raum zwischen der äußeren Gefäß-Wandung (52) und dem Gegenstrom-Rohr-Element (70) die hydraulische Abstrom-Säule (73) bildet; – konzentrisch mit und beabstandet von dem Gegenstrom-Rohr-Element (70): ein Innenwand-Rohr-Element (57), wobei der Raum zwischen dem Innenwand-Rohr-Element (57) und dem Gegenstrom-Rohr-Element (70) die hydraulische Aufstrom-Säule (83) bildet; worin das Innenwand-Rohr-Element (57) ein unteres Venturi (79) und – angeordnet entlang derselben vertikalen Achse – ein oberes Venturi (82) einschließt, wobei Venturi (79) und Venturi (82) die Strömungsrate von Fluid ändern, wenn es in der hydraulischen Aufstrom-Säule (83) nach oben steigt, wobei die Fläche unterhalb des unteren Venturi (79) nahe dem unteren geschlossenen Ende (53) die erste Reaktionszone (78) definiert und das untere Venturi (79) und das obere Venturi (82) zwischen sich die zweite Reaktionszone (58) definieren und das obere Venturi (82) eine dritte Reaktionszone definiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Reaktionszone so konfiguriert ist, dass sie zu einer Reaktionszeit von etwa 3 bis etwa 6 Minuten führt.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin die Stickstoff enthaltende Oxide in einer wässrigen Lösung eingeführt werden.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin der pH-Wert in der ersten Reaktionszone (78) auf einen Wert von etwa 7,5 bis etwa 8,0 eingestellt wird.
Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, worin die Gewinnung des Ammoniaks ein Erhöhen des pH-Werts auf einen Wert oberhalb von etwa 8,5 umfasst, wodurch Phosphat-Salze gefällt werden und Ammoniak-Gas freigesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, worin der pH-Wert auf einen Wert oberhalb von 8,9 erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, worin der pH-Wert erhöht wird in einem Tank (24), wobei der Tank (24) stromabwärts eines atmosphärischen Tanks (17) angeordnet ist, in dem der behandelte Abfall-Strom einem Druckabfall ausgesetzt wird.