DE68906883T2

DE68906883T2 - Verfahren und Apparat für die Herstellung und Verflüssigung von Gasen.

Info

Publication number: DE68906883T2
Application number: DE89303072T
Authority: DE
Inventors: W Hermann Peterscheck; E Joseph Zeigler
Original assignee: Waste Treatment Patents & Res
Current assignee: Waste Treatment Patents & Res
Priority date: 1987-09-14
Filing date: 1989-03-29
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: ES2040999T3; DE68906883D1; EP0389698B1; EP0389698A1; US4822394A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verwendung von Abgasen, die durch Naßoxidationsreaktionen erzeugt werden. Insbesondere behandelt die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum Umwandeln von Abgasen in eine Form, die für die Verwendung bei anderen Prozessen geeignet ist.
Chem. Abstr., Bd. 77 (1972), 21/08, Nr. 8, S. 137, Abstract Nr. 50604k betrifft eine Vorrichtung zum Ausfrieren von Kohlendioxyd aus Rauchgasen durch Vergasen von flüssigem Sauerstoff. Wasser und andere Verunreinigungen werden von Rachgasen getrennt, welche durch flüssigen Sauerstoff gekühlt werden, bis sich festes Kohlendioxyd abscheidet. Die optimale Temperatur für das Ausfrieren von CO&sub2; liegt zwischen -109ºC und -115ºC bei einen Vergasungsdruck des Sauerstoffs von 2 - 16 atm.
Die Kosteneffizienz von großtechnischen chemischen Reaktionen wird oft durch die Marktfähigkeit der verschiedenen Reaktions-Produkte bestimmt. Zuallermindest ist die effiziente Verwendung von ReaktionsProdukten, die bei industriellen Reaktionen erzeugt werden, in hohem Maße wünschenswert. In ähnlicher Weise bewirkt die effiziente und kritische Verwendung von Energie und ihre Erhaltung innerhalb eines Systens deutliche ökonomische und ökologische Vorteile. Daher sind Verfahren und Vorrichtungen zum Erzielen einer vorteilhaften Produktverwendung und einer Energieerhaltung von großer Bedeutung bei der Auslegung und dem Betrieb von großtechnischen Reaktionen.
Eine Reaktion, von welcher durch den Anmelder gezeigt wurde, das sie ökonomisch lebensfähig ist, ist die großtechnische Naßoxidation von organischen Abfallprodukten wie zum Beispiel städtischem Müll. Ursprünglich umfaste eine Naßoxidationsreaktionsvorrichtung massive dickwändige oberirdische Hochdruckreaktoren mit einem komplizierten mechanischen Rührmechanismus. Als Alternative zu diesen oberirdischen Reaktoren wurden Versuche unternommen, unterirdische oder Vertikalschacht ("down-hole")-Reaktionsvorrichtungen mit geringem Querschnitt zu konzipieren. Als Ergebnis davon wurde die erste bekannte erfolgreiche unterirdische Naßoxidationsreaktionsvorrichtung durch den Anmelder gemäß den in der US-A- 4 272 383 (welche auf den Anmelder übetragen wurde) beschriebenen Prinzipien konstruiert und betrieben. Diese Vertikalschacht-Reaktionsvorrichtung besitzt eine vertikale Konfiguration, welche die Gravitationskraft und thermodynamische Relationen verwendet, um eine Hochdruck-Reaktionsumgebung zu schaffen, bei welcher die thermische Energie erhalten ist.
Die Vertikalschaft-Reaktionsvorrichtung ist insbesondere nützlich beim Zerlegen von organischen Stoffen, die im städtischen Müll enthalten sind, durch Verbrennung in der wässrigen Phase, die allgemein als Naßoxidation bezeichnet wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die Naßoxidation von brennbaren Stoffen eine exotherme Reaktion, welche ziemlich rasch bei Temperaturen oberhalb von 177ºC (350ºF) vonstatten geht. Die Verringerung des Verbrauchs an chemischem Sauerstoff (CSV) des Mülls ist das hauptsächliche Ziel bei der Zerlegung von städtischem Müll und durch Verringern des CSV des Mülls wird die Eutrophierung von Aufnahmegewässern verhindert. Zusätzlich baut der Naßoxidationsprozeß möglicherweise toxische Kohlenwasserstoffe ab, welche ansonsten eine Quelle von Schadstoffen bilden würden. Die Naßoxidation ist folglich ein erprobtes Verfahren für die Zerlegung von städtischem Müll und industriellem organischem Abfall.
Allgemein umfaßt eine Vertikalschacht-Reaktionsvorrichtung eine vertikal orientierte große unterirdische Kammer, welche durch die Ummantelung eines unterirdischen Schachts festgelegt ist. Der unterirdische Schacht erstreckt sich ungefähr 914 bis 3048 m (3.000 bis 10.000 Fuß) und vorzugsweise ungefähr 1.524m (5.000 Fuß) in die Erde. In der Kammer ist von der Ummantelung abgesetzt ein röhrenförmiges Reaktionsgefäß aufgehängt. Das röhrenförmige Reaktionsgefäß besitzt eine Abfall-Einschlußröhre mit einem verschlossenen Ende, in welcher eine Abfalleitung zentral angeordnet ist. Die Einschlußröhre und die Abfalleitung sind konzentrisch angeordnet, so daß ein externer Durchfluß oder Ringraum gebildet wird, welcher durch die innere Wand der Einschlußröhre und die äußere Wand der Abfalleitung festgelegt wird. Die Bohrung der Abfalleitung und der externe Durchfluß stehen in Fließverbindung an dem unteren Ende des Reaktionsgefäßes. In der Kammer ist weiterhin eine Leitung aufgehängt, welche im wesentlichen parallel zu dem Reaktionsgefäß ist, aber von diesem abgesetzt. Durch diese Leitung läßt man ein Wärmeübetragungsmedium vorzugsweise in die Kammer einfließen. Auf diese Weise wird ein nach außen verlagerter wärmetauscher gebildet.
Um große Mengen von organischen Stoffen, die im städtischem Abfall auf treten, rasch zu oxidieren, ist es nötig, ein Oxidationsmittel zuzuführen. Daher läßt man im Betrieb städtischen oder industriellen Müll, welcher organische Stoffe enthält, in den nach unten führenden Reaktionsdurchfluß zusammen mit einem Oxidationsmittel einfließen, typischerweise Luft, vorzugweise Sauerstoff-angereicherter Luft oder gasförmigen Sauerstoff. Allgenein wird flüssiger Sauerstoff am Ort zugeführt, welcher dann in den gasförmigen Zustand überführt werden muß. Die Fließrate des verdünnten städtischen Mülls und der gasförmigen Oxidationsmittel durch die Reaktionsvorrichtung werden so geregelt, daß eine gemischte Fließgeschwindigkeit erzeugt wird, welche eine intensive Vermischung fördert. Das Vermischen vergrößert den Stoffübergang zwischen dem Sauerstoff und den verbrennbaren Bestandteilen des städtischen Mülls. Der gasförmige Sauerstoff wird vorzugsweise in den verdünnten städtischen Müll durch eine oder mehrere Gasversorgungsleitungen injiziert, welche in dem nach unten und/oder dem nach oben führenden Durchfluß für Reaktionspartner aufgehängt sind. Daher ist es für den Fachman einsichtig, daß das Injizieren von gasförmigem Sauerstoff oder einem Sauerstoff-angereicherten Gas in den verdünnten städtischen Müll ein wesentlicher Bestandteil des Vertikalschacht-Naßoxidationsprozesses ist.
Wenn die Konzentration des verfügbaren Sauerstoffs und die Temperatur des Abfalls wachsen, wächst die Naßoxidationsrate. Die exotherme Oxidationsreaktion erzeugt eine erhebliche Wärme, welche wiederum die Temperatur der Reaktionspartner weiter erhöht. Wenn die Temperatur der Reaktionspartner ungefähr 177ºC bis 204ºC (350ºF bis 400ºF) übersteigt, wird die Reaktion autogen. Der hydrostatische Druck der Säule von verdünntem Abfall verhindert, daß die Reaktionsmischung in dem nach unten führenden Teil siedet. Typischerweise wird die Säule aus verdünntem Abfall, welcher mit gasförmigem Sauerstoff vermischt ist, sich über die gesamte Länge der 1600 m (1 Meile) langen Reaktionsvorrichtung erstrecken. Die Temperatur der Reaktionsmischung kann zulässigerweise bis auf ungefähr 260ºC bis 371ºC (500ºF bis 700ºF) in einer Reaktionszone in dem unteren Teil des nach unten führenden Durchflusses für Reaktionspartner ansteigen. Der verdünnte städtische Müll wird auf diese Weise in der Naßoxidationsreaktion oxidiert. Die Reaktionsprodukte bzw. der Ausfluß umfassen eine sterile Asche mit geringem Volumen, einen flüssigen Ausfluß und Abgase. Überkritische Reaktionsbedingungen sind ebenfalls möglich.
Diese Abgase bei der Naßoxidation von städtischem Schlamm umfassen zum Beispiel Kohlendioxid (CO&sub2;), Kohlenmonoxid (CO) und kurzkettige Kohlenwasserstoffgase sowie vergleichsweise geringere Konzentrationen von anderen Bestandteilen. Stickstoff (N&sub2;) und Wasserstoff (H&sub2;) werden ebenfalls während eines überkritischen Betriebs erzeugt. Wenn der Naßoxidationsprozeß so geführt wird, daß man eine sehr große Verringerung des CSV erhält, können die Abgase einen Oberschuß von 90 Vol.-% CO&sub2; enthalten. Die durch die Naßoxidationsreaktion erzeugten Abgase können auch einen auffälligen Geruch besitzen. Es wäre daher wünschenswert, eine geeignete Methode zu schaffen, durch welche die Stoffe, welche diesen unerwünschten Geruch erzeugen, effizient beseitigt werden können.
Als chemische Ware ist Kohlendioxid in vielen Ländern, einschließlich den Vereinigten Staaten, eine der im größten Umfang erzeugten Chemikalien. CO&sub2; wird im großen Umfang in Treibhäusern verwendet, um die Photosynthese zu fördern. CO&sub2; wird bei verschiedenen industriellen chemischen Prozessen einschließlich Koksvergasungsprozessen verwendet. Flüssiger Sauerstoff und flüssiger Stickstoff werden als Kühlungsmittel bei vielen Anwendungen wie zum Beispiel dem Kühlen von Supraleitern verwendet. Wie dem Fachmann einsichtig ist, müssen diese Gase, um eine marktfähige Ware zu bilden, für eine leichte Handhabung und Verschiffung im flüssigen Zustand sein. Man wird weiterhin einsehen, daß die Verflüssigung von Gasen im allgemeinen einen wesentlichen Aufwand an Energie erfordert, und daher bei der Verwendung von konventionellen Verfahren ziemlich teuer ist. Obwohl die Naßoxidation von städtischem Müll eine hervorragenden Quelle von gasförmigen CO&sub2; ist, ist das CO&sub2;-Abgas im allgemeinen nicht marktfähig, es sei denn, es wird verflüssigt. Daher wäre es wünschenswert, ein ökonomisches Verfahren zum Verflüssigen des Abgases, insbesondere des während der Naßoxidation erzeugten CO&sub2;, zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zum Verflüssigen von Naßoxidations- Abgasen, welche zur gleichen Zeit flüssigen Sauerstoff zur Injektion in die Naßoxidations-Reaktionsmischung verflüssigen. Hinsichtlich eines anderen Aspekts schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von geruchserzeugenden Stoffen aus den Abgasen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verflüssigen von Abgas und zum Vergasen von flüssigem Sauerstoff geschaffen, welches die Schritte umfaßt:
Erzeugen von Abgas durch eine Naßoxidationsreaktion, Einströmenlassen des Abgases in einen Wärmetauscher, Einströmenlassen des flüssigen Sauerstoffs in den Wärmetauscher derart, daß das Abgas und der flüssige Sauerstoff in einer Wärmeaustauschbeziehung miteinander stehen, Ableiten einer ausreichenden Wärmemenge von dem Abgas zu dem flüssigen Sauerstoff derart, daß das Abgas verflüssigt wird, so daß ein flüssiges Produkt gebildet wird, und daß der flüssige Sauerstoff in gasförmigen Sauerstoff umgewandelt wird. Ausströmenlassen des flüssigen Produkts aus dem Wärmetauscher, Ausströmenlassen des gasförmigen Sauerstoffs aus dem Wärmetauscher und
Verwenden des gasförmigen Sauerstoffs als Oxidationsmittel in der Naßoxidationsreaktion.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin eine Vorrichtung, welche Gase erzeugt und verflüssigt und umfaßt:
eine Reaktionsvorrichtung zum Oxidieren von organischen Stoffen in einem wässrigen Medium bei hoher Temperatur und Druck, um die organischen Stoffe im wesentlichen zu oxidieren, welche einen Ausfluß erzeugt. der eine Asche, Wasser und Abgase umfaßt,
einen Separator zur Aufnahme des Ausflusses und zum Trennen der Abgase von dem Ausfluß,
eine Einrichtung, um den Ausfluß von der Reaktionsvorrichtung zu dem Separator strömen zu lassen,
einen Kompressor zum Aufnehmen der Abgase von dem Separator und zum Komprimieren der Abgase, um einen Gasdruck größer als den Druck zu erzeugen, bei welchem die Abgase sich in dem Separator aufhalten,
eine Einrichtung, um die Abgase von dem Separator zu dem Kompressor strömen zu lassen,
einen Kühler zum Aufnehmen der unter Druck gesetzten Abgase von dem Kompressor und zum Kühlen der unter Druck gesetzten Abgase auf eine Temperatur, die geringer als die Temperatur der Abgase in dem Kompressor ist,
eine Einrichtung, um die unter Druck gesetzten Abgase von dem Kompressor zu dem Kühler strömen zu lassen,
eine Versorgungsvorrichtung, die eine Versorgung mit flüssigem Sauerstoff beinhaltet,
einen Wärmetauscher zum Aufnehmen der unter Druck gesetzten Abgase von dem Kühler und zum Aufnehmen des flüssigen Sauerstoffs zur gleichen Zeit wie die unter Druck gesetzten Abgase, wobei der Wärmetauscher eine Einrichtung enthält, welche die getrennten Ströme der unter Druck gesetzten Abgase und des flüssigen Sauerstoffs durch sie hindurch so gestattet, daß Wärme von den Abgasen zu dem flüssigen Sauerstoff mit einer Rate übertragen wird, welche die Abgase verflüssigt, so daß ein flüssiges Produkt gebildet wird, und den flüssigen Sauerstoff vergast,
eine Einrichtung, um den gasförmigen Sauerstoff in die Reaktionsvorrichtung zur Verwendung bei der Oxidierung der organischen Stoffe einströmen zu lassen, und
eine Einrichtung, um das flüssige Produkt von dem Wärmetauscher abströmen zu lassen.
Dementsprechend werden durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen und Verflüssigen von verschiedenen Gasen, insbesondere Kohlendioxid, und zum Vergasen von flüssigen Sauerstoff geschaffen. In besonderen Ausführungs formen wird zuerst ein Ausfluß durch eine Naßoxidationsreaktion erzeugt und die Abgase werden von dem Ausfluß getrennt. Die Gase können als eine oder mehrere Fraktionen, zum Beispiel als eine CO&sub2;-Fraktion, eine Stickstofffraktion oder dergleichen, abgetrennt werden, welche man unabhängig in einen Kompressor einströmen läßt oder man läßt alternativ die Abgasmischung direkt in den Kompressor einströmen. Die Gase werden dann komprimiert, so daß der Gasdruck und die Temperatur deutlich erhöht werden. Die Abgase, welche eine hohe Temperatur aufweisen und unter Druck gesetzt sind, werden dann nahezu auf Umgebungstemperatur abgekühlt und aller Wasserdampf, welcher in den Abgasen enthalten ist, wird kondensiert und entfernt. Die abgekühlten Abgase läßt man dann in einen Wärmetauscher einströmen. Im wesentlichen zur selben Zeit läßt man flüssigen Sauerstoff in den Wärmetauscher getrennt von den Abgasen, aber in einer Wärmeaustauschbeziehung mit diesen einströmen. Durch die Kühlwirkung des flüssigen Sauerstoffs in dem Wärmetauscher werden die Abgase verflüssigt. Die von den Abgasen auf den flüssigen Sauerstoff übertragene Wärme vergast den flüssigen Sauerstoff. Die verflüssigten Abgase kann man dann in einen Separator einströmen lassen, wo nicht kondensierte Abgase entfernt werden. In den Fällen, in denen die Abgasmischung nicht vorher in ihre Gasbestandteile oder Fraktionen aufgespalten wurde, kann eine Trennung im flüssigen Zustand durchgeführt werden. Die verflüssigten Abgase werden dann in geeigneter Weise gespeichert oder zu einem anderen Ort transportiert. Den jetzt gasförmigen Sauerstoff läßt man dann aus dem Wärmetauscher ausströmen und injiziert ihn in die Naßoxidationsvorrichtung, so daß er als Oxidationsmittel bei der Naßoxidationsreaktion dient. Der Fluß der Gase und Flüssigkeiten ist vorzugsweise kontinierlich.
Hinsichtlich eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung werden geruchstragende Substanzen, wie zum Beispiel kurzkettige Kohlenwasserstoffgase, welche in den Abgasen der Naßoxidationsreaktion enthalten sind, vor der Verflüssigung der Abgase durch einen Behandlungsschritt oder nach der Verflüssigung durch einen Austreibungsvorgang entfernt.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und mit Bezug auf diese weiter beschrieben, jedoch in keiner Weise darauf beschränkt.
Fig. 1 stellt schematisch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dar,
Fig. 2 stellt schematisch eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher gasförmige geruchserzeugende Verbindungen extrahiert werden, und
Fig. 3 stellt schematisch eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher flüssige geruchstragende Substanzen ausgetrieben werden.
Nunmehr bezugnehmend auf Figur 1 der Zeichnungen wird eine Naßoxidationsreaktion in der Reaktionsvorrichtung 10 durchgeführt, um einen ausfließenden Abfallstrom 14 zu erzeugen. Die bevorzugte Naßoxidationsreaktion ist die Naßoxidation von städtischem Müll oder industriellem Müll, vorzugsweise in wässriger Lösung unter Zuhilfenahme von gasförmigem Sauerstoff als Oxidationsmittel, wenngleich andere Reaktionsmittel bei manchen Anwendungen geeignet sein können. Die bevorzugte Reaktionsvorrichtung 10 ist eine unterirdische oder Vertikalschacht-Reaktionsvorrichtung von der Art, welche erfolgreich durch den Anmelder betrieben wurde und deren Konstruktion auf den Prinzipien beruht, welche in der oben genannten US-A- 4,272,383 dargestellt sind. Die Reaktionsvorrichtung 10 umfaßt also vorzugsweise eine vertikale Anordnung von Leitungen oder Röhren, welche in einem betonummantelten Schacht aufgehängt sind. Die Leitungen erstrecken sich ungefähr 1.524 m (5.000 Fuß) unterhalb des Bodenniveaus und sind so angeordnet, daß sie eine Reihe von Ringräumen festlegen. Bei einer typischen Anwendung besitzt die Leitungsanordnung eine zentrale Bohrung, welche als der nach unten führende Fließweg eines Wärmetauschers dient. Der erste oder innerste Ringraum ist an seinem unteren Ende in Fließverbindung mit dem nach unten führenden Fließweg des Wärmetauschers verschlossen. Dieser Ringraum fungiert als der nach oben führende Fließweg des zentralen Wärmetauschers. Wie oben beschrieben kann ein Wärmeübertragungsmedium wie zum Beispiel Öl durch den Wärmetauscher zirkuliert werden, indem man es in den nach unten führenden Fließweg pumpt und es dann nach oben zurück durch den nach oben führenden Fließweg strömen läßt. Die Röhren, welche den nach unten führenden Fließweg und den nach oben führenden Fließweg oder Ringraum des Wärmetauschers festlegen, sind in der Bohrung einer etwas größeren Leitung oder Röhre so angebracht, daß ein zweiter Ringraum festgelegt wird. Der zweite Ringraum ist der nach unten führende oder Einfluß-Fließweg für die Reaktionsteilnehmer.
Eine weitere bevorzugte unterirdische Naßoxidationsreaktionsvorrichtung zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist die in EP-A 0 282 276 offenbarte. Diese alternative Vertikalschacht-Reaktionsvorrichtung umfaßt eine große, vertikal orientierte unterirdische Kammer, welche durch die Ummantelung eines unterirdischen Schachts oder Lochs festgelegt wird, welcher sich wieder 914 in bis 3.048 in (3.000 bis 10.000 Fuß) und allgemein 1.524 in (5.000 Fuß) in die Erde hinein erstreckt. In dieser Kammer ist von der Ummantelung abgesetzt ein röhrenförmiges Reaktionsgefäß aufgehängt, welches eine Abfalleinschlußröhre mit verschlossenem Ende aufweist, in welchem eine Abfalleitung zentral angeordnet ist. Die Einschlußröhre und die Abfalleitung sind konzentrisch angeordnet, so daß ein äußerer Fließweg oder Ringraum gebildet wird, welcher durch die innere Wand der Einschlußröhre und die äußere Wand der Abfalleitung gebildet wird. Die Bohrung oder der innere Fließweg der Abfalleitung und der äußere Fließweg stehen am unteren Ende des Reaktionsgefäßes in der Art einer hydraulischen U-Röhre in Fließverbindung. In der Kammer ist ebenfalls eine Leitung aufgehängt, welche im wesentlichen parallel zu dem Reaktionsgefäß ist, aber von diesem abgesetzt. Durch diese Leitung läßt man vorzugsweise ein Wärmeübertragungsmedium in die Kammer fließen. Auf diese Weise wird ein nach außen verlagerter Wärmetauscher gebildet.
Bei beiden Anordnungen der Reaktionsvorrichtung 10 erstrecken sich Gasversorgungsleitungen nach unten in die Fließwege des Reaktionsgefäßes. Gasförmiger Sauerstoff fließt durch diese Gasversorgungsleitungen in die Abfallfließwege. Dies bedeutet, daß das Oxidationsmittel "gasförmiger Sauerstoff" für die Naßoxidationsreaktion der vorliegenden Erfindung dem organischen Abfall durch diese Gasversorgungsleitungen zugeführt wird.
Noch weitere geeignete Konfigurationen der Reaktionsvorrichtung 10, welche bei der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind in EP-A-0 240 340 offenbart. Diese zwei Reaktionsvorrichtung werden typischerweise oberirdisch betrieben und umfassen Reaktionsspulen, durch welche eine Abfall-Reaktionskomponente zusammen mit gasförmigem Sauerstoff fließt, um eine Naßoxidationsreaktion zu erzeugen, die, wie dargestellt, einen Abfallausfluß 14 erzeugt.
Die Naßoxidationsreaktion, welche in der Reaktionsvorrichtung 10 stattfindet, ist eine exotherme Reaktion, welche ziemlich leicht bei Temperaturen oberhalb von 177ºC (350ºF) vonstatten geht. Im Betrieb wird eine Reaktionsmischung, die als verdünnter städtischer Abfall oder einfließender Abfall 18 dargestellt ist und einen vorbestimmten Verbrauch an chemischen Sauerstoff hat, in die Reaktionsvorrichtung 10 gepumpt. Der CSV des verdünnten städtischen Abfalls 18 liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 1.0% und ungefähr 6,0% CSV und das Verdünnungsmittel ist Wasser. Gasförmiger Sauerstoff 22 wird dem einströmenden Abfall 18 zugesetzt. Gasförmiger Sauerstoff 22, welcher als Oxidationsmittel für die Naßoxidationsreaktion dient, ist in Figur 1 so dargestellt, daß er direkt in die Reaktionsvorrichtung 10 strömt. Man beachte, daß es bei manchen Ausführungsformen bei der vorliegenden Erfindung möglich sein kann, gasförmigen Sauerstoff 22 dem einströmenden Abfall 18 zuzusetzen, bevor der einströmende Abfall 18 in die Reaktionsvorrichtung 10 einströmt. Weiterhin können auch, obwohl die bevorzugte Naßoxidationsreaktion und die bevorzugte Reaktionsvorrichtung 10 ihrer Art nach kontinuierlich sind, Batch-Reaktionen und -Reaktoren hierbei möglicherweise verwendet werden, wenn die Prinzipien der vorliegenden Erfindung getreu beachtet werden. Bei manchen Anwendungen ist es auch angebracht, den gasförmigen Sauerstoff in das nach oben Kommende zu injizieren.
Die Reaktionmischung, der gasförmiger Sauerstoff zugeführt wird. wird auf mindestens ungefähr 177ºC (350ºF) erhitzt. Wenn die Naßoxidationsreaktion heftiger vonstatten geht, wird zusätzliche Wärme erzeugt, welche von der Reaktionsmischung absorbiert wird. Die Temperatur der Reaktionsmischung kann sich zulässigerweise in dieser Art auf ungefähr 216ºC bis 371ºC (420ºF bis 700ºF), vorzugsweise auf ungefähr 260ºC bis 288ºC (500ºF bis 550ºF) erhöhen. Die Reaktionsmischung steht unter Druck, was ein Sieden verhindert. Als Alternative können überkritische Reaktionsparameter bevorzugt seine. Wie man erkennen kann, können überkritische Reaktionsdruckwerte erreicht werden. indem die Länge oder Tiefe der Reaktionsvorrichtung mit geschachtelten Röhren erhöht wird. Der Abfallausfluß 14, welcher durch die Naßoxidationsreaktion erzeugt wird, enthält die Reaktionsprodukte. welche sind: eine sterile Asche mit geringem Volumen, ein flüssiger Ausfluß und ausfließende Abgase oder einfach "Abgase". Wie oben beschrieben, umfassen die Abgase typischerweise CO&sub2;, CO, O&sub2; und Kohlenwasserstoffe. H&sub2; und N&sub2; werden ebenfalls während überkritischer Reaktionen erzeugt. Der Abfallausfluß 14 wird dann in einen Separator 26 geleitet, wo die Abgase 30 entfernt werden. Es ist für den Fachmann einsichtig, daß die Abgase 30 hauptsächlich Kohlendioxid zusammen mit kurzkettigen Kohlenwasserstoffgasen enthalten. Die Menge an Kohlendioxid in den Abgasen 30 ist in erster Linie eine Funktion des Ausmaßes der CSV-Verringerung, welche bei der Naßoxidationsreaktion ausgeführt wird. Eine CSV-Verringerung von 80% oder mehr bei den meisten Abgasen 30 wird in allgemeinen mehr als 90 Vol.-% CO&sub2; enthalten. Es ist ebenfalls bevorzugt, daß der flüssige Anteil 34 des Abfallausflusses 34 von der sterilen Asche 38 in dem Separator 26 getrennt wird. Der flüssige Anteil 34 ist in erster Linie Wasser, obwohl einige gelöste und suspendierte Stoffe darin enthalten sein können. Die sterile Asche 38, welche nach der Abtrennung des flüssigen Anteils 34 übrig bleibt, und die Abgase 30 können dann für verschiedene Zwecke weiterverarbeitet werden oder zur Landauffüllung entfernt werden.
Der Druck in dem Separator 26 wird von einem Manometerdruck von ungefähr 2.068 kPa (300 psig) auf Vakuum herabgesetzt, und die Abgase 30 werden aus dem Separator 26 bei einer Temperatur von ungefähr 27ºC bis ungefähr 121ºC (80ºF bis 250ºF) herausgeleitet. Die Abgase 30 werden dann in den Kompressor 42 geleitet. Der Kompressor 42 komprimiert die Abgase 30 auf einen Manometerdruck von ungefähr 2068 kPa bis ungefähr 4826 kPa (300 psig bis 700 psig). Diese Druckerhöhung erhöht auch die Temperatur der Abgase 30 auf ungefähr 114ºC bis ungefähr 191ºC (237ºF bis 375ºF). Die Abgase 30 werden von dein Kompressor 42 in einen Kühler 50 geleitet, wo sie auf ungefähr 21ºC bis ungefähr 46ºC (70ºF bis 150ºF) abgekühlt werden, während sie bei einem Manometerdruck von ungefähr 2068 kPa bis ungefähr 4826 kPa (300 psig bis 700 psig) gehalten werden. Das in dem Kühler 50 verwendete Kühlmedium ist vorzugsweise Wasser 54, obwohl andere Kühlmittel und Verfahren zum Kühlen von Abgasen 30 akzeptabel sind. Das teilweise gekühlte Hochdruck-Abgas 30 wird dann von dem Kühler 50 in den Wärmetauscher 62 geleitet.
Wie vorangehend beschrieben, wird gasförmiger Sauerstoff 22 als Oxidationsmittel für die Naßoxidationsreaktion verwendet, die in der Reaktionsvorrichtung 10 durchgeführt wird. Die Sauerstoffquelle wird vorzugsweise am Ort als flüssiger Sauerstoff 66 zugeführt. Bei einem bevorzugten Verfahren wird flüssiger Sauerstoff 66 in den Wärmetauscher 62 in einer Wärmeaustauschbeziehung mit den Abgasen 30 geleitet, jedoch isoliert von diesen. In dem Wärmetauscher 62 befindet sich der flüssige Sauerstoff 66 bei einer Temperatur von ungefähr -217ºC bis ungefähr -183ºC (-217ºF bis -183ºF). Weiterhin befinden sich in dem Wärmetauscher 62 die Abgase 30 bei einem Manometerdruck von ungefähr 2.068 kPa bis ungefähr 4.826 kPa (300 psig bis 700 psig) und einer Temperatur von ungefähr -18ºC bis ungefähr 10ºC (0ºF bis 50ºF). Wärme wird von den Abgasen 30 auf den flüssigen Sauerstoff 66 übertragen, wodurch flüssiger Sauerstoff 66 in gasförmigen Sauerstoff 22 umgewandelt wird und die Abgase 30 in ein flüssiges Produkt 68 umgewandelt werden. Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sammeln und Verflüssigen von Gasen aus einer Naßoxidationsreaktion und Umwandeln von flüssigem Sauerstoff in seinen gasförmigen Zustand. Es wird nicht nur ein wertvolles Nebenprodukt in einer marktfähigen Form durch die vorliegende Erfindung erzeugt, bedeutende Energieeinsparungen werden erreicht.
Das flüssige Produkt 68 wird dann in den Tank 70 geleitet, wo alle nicht kondensierten Gase 74 entfernt werden. Eine zusätzliche Kondensation von Gasen 74 kann erreicht werden, wenn die Gase aus dem dank 70 über ein Kondensationsventil 76 entlüftet werden. Das flüssige Produkt 68 wird dann von dem Tank 70 zu Tanklastwagen oder dergleichen zur Speicherung oder zum Transport zugeleitet.
Hinsichtlich eines noch anderen Aspekts, nunmehr bezugnehmend auf Figur 2 der Zeichnungen, werden geruchserzeugende Verbindungen 80 von den Abgasen 84 mit Hilfe des Kondensators 88 entfernt. Wie man leicht erkennt, wird die chemische Zusammensetzung der Abgase, die aus dem flüssigen Ausfluß 14 abgetrennt werden, in Abhängigkeit von dem Ausmaß der CSV-Verringerung und der chemischen Natur des einfließenden Abfalls 18 variieren. Wenn die Naßoxidationsreaktion so durchgeführt wird, daß eine große CSV-Verringerung erreicht wird, wie dies wünschenswert ist, haben die Abgase typischerweise einen wäschereiartigen Geruch, der durch nicht gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen erzeugt wird. Um diesen Geruch zu verringern, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen dieser geruchserzeugenden Verbindungen aus ausfließenden Abgasen. Nicht nur der unerwünschte Geruch wird verringert, die Reinheit der Abgase und damit die des flüssigen Endprodukts wird erhöht.
Wie in Figur 2 der Zeichnungen dargestellt (in welcher gleiche Bestandteile mit den entsprechenden Bezugszeichen der Figur 1 bezeichnet sind), werden diese geruchserzeugenden ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen aus den Abgasen 84 durch einen Kondensationsprozeß entfernt. Die Kondensation von Kohlenwasserstoffen wird in dem Kondensator 88 durchgeführt, indem geruchserzeugende Verbindungen 80 im wesentlichen ohne eine Kondensation der restlichen Abgase kondensiert werden. Die Abgase 84 werden einem Kondensator 88 bei einem Manometerdruck von ungefähr 689 bis ungefähr 2068 kPa (100 psig bis 300 psig) zugeleitet. Die Abgase 84 werden dann in dein Kondensator 88 auf ungefähr 4ºC bis ungefähr 27ºC (40ºF bis 80ºF) abgekühlt. Auf diese Weise werden die geruchserzeugenden ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen 80 ohne eine wesentliche Kondensation von anderen Abgasen kondensiert. Das flüssige Produkt 94 wird dann aus dem Kondensator 88 herausgeleitet. Dieser Schritt des Entfernens von geruchserzeugenden Verbindungen 80 durch Kondensation wird, wieder bezugnehmend auf Figur 1 der Zeichnungen, vorzugsweise durchgeführt, wenn die Abgase den Separator 26 verlassen und bevor sie den Kompressor 42 erreichen. Es kann bei manchen Anwendungen jedoch angebracht sein, diese Operation später in der Prozeßfolge durchzuführen.
Bezugnehmend auf Figur 3 der Zeichnungen (worin ebenfalls gleiche Bestandteile in derselben Weise wie in den Figuren 1 und 2 numeriert sind), wird ein Verfahren geschaffen, um geruchserzeugende Verbindungen 96 aus den verflüssigten Abgasen 100 im wesentlichen zu entfernen. Das verflüssigte Abgas 100 wird von dem Wärmetauscher 62 in den Abtreiber 104 geleitet, wo geruchserzeugende Verbindungen 96 aus dem flüssigen Produkt 100 ausgetrieben werden. Bei dieser Ausführungsform muß das Austreiben natürlich stattfinden, nachdein die Abgase, welche wiederum im wesentlichen CO&sub2; enthalten, in dein wärmetauscher 62 verflüssigt worden sind. Das entgaste flüssige Produkt 108 wird dann aus dein Abtreiber 104 mit einer wesentlich verringerten Konzentration von geruchserzeugenden Verbindungen herausgeleitet.
Die vorliegendee Erfindung wird noch weiter mit Bezug auf das folgende Beispiel beschrieben, ist jedoch in keiner Weise darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Reinigen der Abgase nach der Trennung und vor der Verflüssigung bei manchen Anwendungen geeignet oder wünschenswert sein.

Beispiel

Eine Vertikalschacht-Reaktionsvorrichtung mit kontinuierlicher Strömung wird pro Tag mit 90.718 kg (100 STPSD (Shortton per stream day/ Shortton pro Betriebstag)) einer CSV (chemischer Sauerstoffverbrauch)-Materialzufuhr beschickt, welche städtischen Müll, verdünnt mit Wasser, enthält. Die Beschickung wird durch eine Naßoxidationsreaktion oxidiert, bei welcher gasförmiger Sauerstoff in die Beschickung mit einem Verhältnis von 0,8 kg O&sub2; pro kg CSV (1.600 lbs O&sub2; pro Tonne CSV) injiziert wird. Die Naßoxidationsreaktion erzeugt eine CSV-Verringerung von 80%. Der Ausfluß von der Naßoxidationsreaktionsvorrichtung umfaßt eine sterile Asche mit geringerm Volumen, Wasser (mit gelöstem und suspendiertem Material) und Abgase. Der Hauptbestandteil der Abgase ist CO&sub2;. Auf der Grundlage der CSV-Verringerung von 80% und der der Beschickung zugeführten Menge an O&sub2; erzeugt die Reaktion ungefähr 726 kg (1.600 lbs) CO&sub2;. Der Ausfluß wird dann in einen unter Druck stehenden Separator gepumpt, wo der Druck der Abgase ungefähr 1.034 kPa (150 psig) bei einer Temperatur von ungefähr 32ºC (90ºF) betätigt. Die Abgase werden dann zu einem CO&sub2;-Kompressor (eine Stufe reziprok (1 stage reciprocal), 35 l/s (75 ICFM CO&sub2;)) geleitet. Der Kompressor komprimiert die Abgase auf einen Manometerdruck von 4.054 kPa (588 psig), worauf die Temperatur der Abgase 160ºC (320ºF) beträgt. Die heißen, komprimierten Abgase werden dann einem Kühler zugeführt. Der Kühler verringert die Temperatur der komprimierten Abgase auf 32ºC (90ºF). Die Gase bleiben bei einem Manometerdruck von 4.054 kPa (588 psig). Der wasserdampf in den Abgasen wird kondensiert und mit 19 kg (42 lbs/hr) entfernt. Die Abgase fließen dann in einen Wärmetauscher. Flüssiger Sauerstoff wird ebenfalls in den Wärmetauscher mit einer Rate von 3.024 kg/h (6.667 lb/hr), einer Temperatur von - 123,3ºC (-189,9ºF) und einem Manometerdruck von 10.342 kPa (1.500 psig) geleitet. Der flüssige Sauerstoff und die komprimierten heißen Gase koexstieren in dem Wärmetauscher, sind jedoch voneinander in einer Wärmeaustauschbeziehung getrennt. Wärme wird von den Abgasen auf den flüssigen Sauerstoff übertragen, wodurch der flüssige Sauerstoff vergast wird. Die Temperatur des gasförmigen Sauerstoffs ist 4ºC (40ºF). Der gasförmige Sauerstoff fließt dann in die Reaktionsvorrichtung, wo er sich mit der Beschickung für die Naßoxidation vermischt. In dem Wärmetauscher werden die Abgase in den flüssigen Zustand umgewandelt. Das flüssige Produkt befindet sich bei 7ºC (45ºF) und einem Manometerdruck von 4.054 kPa (588 psig). Das flüssige Produkt wird zu einem Trenntank geleitet, wo nicht kondensierte Abgase von der Flüssigkeit getrennt werden. Nicht kondensierte Abgase können in das Reaktionsgefäß für eine weitere Behandlung zurückgeführt, in die Atmosphäre abgelassen oder verascht werden. Die Flüssigkeit ist im wesentlichen flüssiges CO&sub2; und wird von dem Separator in Tanklastwagen mit einer Rate von 3.336 kg/h (7.354 lbs/hr) gepumpt.

Claims

1. Verfahren, zum Verflüssigen von Abgas und gleichzeitigen Vergasen flüssigen Sauerstoffs, welches die Schritte umfaßt:

- Erzeugen von Abgas durch eine Naßoxidationsreaktion eines organischen Abfallprodukts;

- Einströmenlassen des Abgases in einen Wärmetauscher;

- Einströmenlassen des flüssigen Sauerstoffs in den Wärmetauscher derart, daß das Abgas und der flüssige Sauerstoff in einer Wärmeaustauschbeziehung miteinander stehen;

- Ableiten einer ausreichenden Wärmemenge von dem Abgas zu dem flüssigen Sauerstoff derart, daß das Abgas verflüssigt wird, so daß ein flüssiges Produkt gebildet wird, und daß der flüssige Sauerstoff in gasförmigen Sauerstoff umgewandelt wird;

- Ausströmenlassen des flüssigen Produkts aus dem Wärmetauscher;

- Ausströmenlassen des gasförmigen Sauerstoffs aus dem Wärmetauscher; und

- Verwenden des gasförmigen Sauerstoffs als Oxidationsmittel in der Naßoxidationsreaktion.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt enthält, den Druck des Abgases vor dem Schritt des Einströmenlassens des Abgases in den Wärmetauscher zu erhöhen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur des Abgases während des Druckerhöhungsschritts erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, welches weiterhin den Schritt enthält, das Abgas durch einen Kühler zu leiten, bevor man das Abgas in den Wärmetauscher strömen läßt, und das Abgas in dem Kühler auf eine Temperatur abzukühlen, die geringer als die Temperatur ist, bis zu der das Abgas während des Druckerhöhungsschritts ansteigen kann.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Abgas Wasserdampf enthält und das weiterhin die Schritte enthält, den Wasserdampf während des Kühlschritts zu kondensieren, so daß flüssiges Wasser gebildet wird, und das flüssige Wasser von dem Abgas zu trennen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt der Abgaserzeugung beinhaltet, einen Ausfluß durch die Naßoxidationsreaktion zu erzeugen, wobei der Ausfluß das Abgas und Wasser enthält, und das Abgas von dem Ausfluß zu trennen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Erzeugens von Abgas weiterhin das Abtrennen des Wassers von dem Ausfluß beinhaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Abgas ein Gasgemisch ist.

9. Verfahren nach Anspruch B, wobei der Hauptbestandteil des Gasgemisches Kohlendioxid ist und wobei das flüssige Produkt hauptsächlich flüssiges Kohlendioxid ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das nicht kondensierte Abgas mit dem flüssigen Produkt assoziiert ist und das weiterhin den Schritt des Abtrennens des nicht kondensierten Abgases von dem flüssigen Produkt beinhaltet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, welches weiterhin den Schritt des Veraschens des abgetrennten nicht kondensierten Abgases enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Abgasmischung ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen enthält und das weiterhin die Schritte umfaßt, die ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen aus der Abgasmischung vor dem Schritt des Einströmenlassens der Abgasmischung in den Wärmetauscher zu kondensieren und abzutrennen.

13. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das flüssige Produkt ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen enthält und das weiterhin die Schritte umfaßt, die ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen aus dem flüssigen Produkt auszutreiben und abzutrennen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Naßoxidationsreaktion die Naßoxidation von kommunalem Abfall umfaßt.

15. Vorrichtung, welche Gase produziert und verflüssigt und umfaßt:

- eine Reaktionsvorrichtung (1) zum Oxidieren von organischen Stoffen in einem wässrigen Medium bei hoher Temperatur und Druck, um die organischen Stoffe im wesentlichen zu oxidieren, welche einen Ausflug (14) erzeugt, der eine Asche, Wasser und Abgase umfaßt;

- einen Separator (26) zur Aufnahme des Ausflusses (14) und zum Trennen der Abgase (30) von dem Ausfluß (14);

-eine Einrichtung, um den Ausfluß (14) von der Reaktionsvorrichtung (10) zu dem Separator (26) strömen zu lassen;

- einen Kompressor (42) zum Aufnehmen der Abgase (30) von dem Separator (26) und zum Komprimieren der Abgase (30);

-eine Einrichtung, um die Abgase (30) von dem Separator (26) zu dem Kompressor (42) strömen zu lassen;

- einen Kühler (50) zum Aufnehmen der unter Druck gesetzten Abgase (30) von dem Kompressor (42) und zum Kühlen der unter Druck gesetzten Abgase (30) auf eine Temperatur, die geringer als die Temperatur der Abgase in dem Kompressor ist;

-eine Einrichtung, um die unter Druck gesetzten Abgase (30) von dem Kompressor (42) zu dem Kühler (50) strömen zu lassen;

-eine Versorgungseinrichtung (66), die eine Versorgung mit flüssigem Sauerstoff beinhaltet;

- einen Wärmetauscher (62) zum Aufnehmen der unter Druck gesetzten Abgase (30) von dem Kühler (50) und zum Aufnehmen des flüssigen Sauerstoffs zur gleichen Zeit wie die unter Druck gesetzen Abgase, wobei der Wärmetauscher eine Einrichtung enthält, welche die getrennten Ströme der unter Druck gesetzten Abgase und des flüssigen Sauerstoffs durch sie hindurch mit einer Rate gestattet, welche die Abgase verflüssigt, so daß ein flüssiges Produkt (68) gebildet wird, und welche den flüssigen Sauerstoff vergast;

- eine Einrichtung, um den gasförmigen Sauerstoff (22) in die Reaktionsvorrichtung (10) zur Verwendung bei der Oxidierung der organischen Stoffe einströmen zu lassen; und

- eine Einrichtung, um das flüssige Produkt (68) von dem Wärmetauscher (62) abströmen zu lassen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Separator (26) unter Druck steht und für die Trennung von Wasser von dem Ausfluß geeignet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Reaktionsvorrichtung (10) eine Vertikalschacht-(Down- Hole-)Naßoxidationsreaktions-Vorrichtung ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 15 bis 17, bei der nicht kondensierte Abgase (74) mit dem flüssigen Produkt (68) assoziiert sind und die weiterhin einen zweiten Separator (70) enthält, um das flüssige Produkt mit den assoziierten, nicht kondensierten Abgasen aufzunehmen und die nicht kondensierbaren Abgase (74) aus dem flüssigen Produkt (68) abzutrennen, wobei der Separator (70) in einer Strömungsverbindung mit der Einrichtung zum Abströmenlassen des flüssigen Produkts (68) von dem Wärmetauscher (62) steht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Abgase ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen umfassen und die weiterhin eine Kondensiereinrichtung (88) enthält, um die Abgase mit den ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen aufzunehmen und die ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen von den Abgasen vorzugsweise durch Kondensieren der ungesattigten Kohlenwasserstoffverbindungen zu trennen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der das flüssige Produkt ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen enthält und die weiterhin eine Austreibeeinrichtung (104) umfaßt, um das flüssige Produkt mit den ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen aufzunehmen und die ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen von dem flüssigen Produkt durch chemisches Austreiben zu trennen.