專利名稱：用于處理含金屬和有機物的物料,并包括金屬分離的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于處理含鋁或在低溫熔化的類似金屬和有機物的原料，并包括金屬分離的方法。
按照本發明，待處理的原料主要由含有金屬鋁的包裝廢棄物組成，除鋁箔外該廢棄物還包含聚合物和可能有的纖維殘余物。該處理方法的目的在于利用有機物的熱值和/或回收有價值的鋁或其它類似金屬。
采用已知的燃燒或氣化技術利用這樣的含鋁廢棄物進行能量生產是非常難于甚至是不可能進行控制的。問題在于灰分，就應用的轉換技術而言，灰分在低溫下熔化，從而易于在反應室壁上形成有害沉積，還引起流態化床的燒結和其它過程失效。同時，在以鋁的回收為目的的情況下，回收率低。
本發明的目的是提供一種解決方法，用來處理含金屬鋁的包裝廢棄物或類似的同時含有易熔金屬和有機物的原料。此方法克服了上述問題，并且能夠依據實際情況，使有機物和金屬都得到利用和回收。按照本發明的方法具有如下特征，含有金屬和有機物的原料被輸入鼓泡流態化床，其中有機物在高于存在的金屬熔點的溫度下氣化；通過將一種冷卻介質混入氣流將從流態化床移走的氣體和攜帶的金屬冷卻至金屬熔點以下；隨后，固態金屬顆粒與氣體分離。
按照本發明，已經證實流態化床中在控制溫度下進行的氣體和隨后對從流態化床移走的氣體的冷卻可以使金屬轉化成固態顆粒并被氣流帶走，而金屬和/或灰分不會粘附在流態化床中的懸浮顆粒、反應室壁和排氣管道。可以設想，在流態化床中形成的熔融的金屬顆粒立即被一種保護性的氧化層所覆蓋，這個氧化層顯著地減小了顆粒的粘附。此外，反應室適當的形狀可以阻止顆粒撞擊可能附著其上的器壁。與循環反應器中的顆粒循環形成對照，本發明所需的鼓泡液態化床是通過控制流化速率形成的，結果使流態化床在反應室內有一個特定的、基本上不變的高度。這些情況導致了穩定的工藝條件，它們對該工藝的順利進行至關重要。
用本發明的方法，含在包裝廢棄物或其它未處理物料中的有機物能被氣化和用于能量生產，而不干擾存在的金屬，同時金屬在合理的循環中得到回收。能量生產可以是本發明方法的主要目的，則回收的金屬是副產品，其潛在價值可增加此方法的收益。然而，本方法的主要目的也類似地是通過去除被氣化的有機物而回收有價值的金屬，在此情況下，可能被利用的氣體將成為此方法的副產品。
按照本發明待處理的原料主要是如前所述的含鋁的包裝廢棄物和聚合物，如塑料/鋁包裝和回收液態容器中產生的含鋁、聚合物和纖維殘余物的廢料碎片。這種碎片含有約5到15％的金屬鋁和約1％的纖維，它是回收液體容器的殘余物，其中纖維層由于脫纖維作用而除去。此處提到的廢料能以直徑約0.5到5cm的片狀或帶狀的形式加入流態化床。在流態化床中懸浮顆粒材料可以根據待處理的原料的性質和加工目的進行變化。如果回收的金屬鋁要盡可能的純，那么使用的顆粒優選為幾乎不能磨碎的物料，如沙子或氧化鋁。相反，在處理易形成焦油的原料時，回收純金屬不是目的，懸浮顆粒呆由能磨碎的材料組成，如石灰石或白云石。如果最終熔融材料粘附到懸浮顆粒上，懸浮顆粒就應被替換，并同時保持顆粒尺寸在確定范圍之內。顆粒如沙子合適的直徑為0.3到1mm。
按照本發明，通行的流態化床氣化溫度范圍優選約670到900℃。此溫度范圍超過了鋁的熔點，并且足以氣化用于包裝材料的聚合物。如果原料中包括纖維，那么氣化溫度優選至少約850℃。流態化床的溫度通過待處理的原料與流化氣體的加料比來控制，適當的流化氣體為空氣或具有空氣系數的空氣與水蒸汽的混合物，以便達到高于金屬熔點的溫度，同時達到等于或高于所產生的灰分熔點的溫度。依據原料，流態化床溫度在控制下能保持在比無機灰分的理論熔點高150到200℃。流化速率，其值優選地取高達最低流化速率(Vmf)的四倍，以及根據流化速率所取的流態化床高度被用于調整滯留在反應室的時間，以便有機物能有效地與氧氣、水蒸汽和存在的任何反應氣體反應。典型的流化速率在0.5到3.0m/s的范圍內。有機物和氣化氣體的反應產物主要是氣態物質，和可能存在的少量的可冷凝的重烴。
如果液態化床溫度超過原料中金屬的熔點，金屬可能熔化或者甚至至少部分蒸發。然而，通過氣化條件，例如前述的溫度、滯留時間、反應室的形狀和任何熔融顆粒表面的氧化，可以避免熔融金屬的有害團聚或燒結。氣化反應優選地發生在立式反應器，其器壁平直，從而氣體和攜帶的顆粒撞擊固體障礙物的危險被減小到最低程度。
優選將冷卻介質加入到同一立式反應器中流態化床上面的氣流之中。冷卻介質的加入使氣體和氣體攜帶的顆粒溫度下降到金屬熔點以下，優選地下降到600℃以下。注入到上升氣流之中的水是有效的冷卻介質，然而冷卻的氮氣或氮氣與水的混合物也可被使用。
冷卻后，固態金屬顆粒從氣體中分離出來，最有效的分離是通過旋風分離器。對于根據其密度和顆粒尺寸分離的金屬顆粒、灰分和任何未反應的殘余碳，可以使用一些連續的大小不同的旋風分離器。灰分和粉塵從氣流中的最后分離以旋風分離之后的過濾方式進行。可以使用高溫過濾器，或任選地，假使氣體在其中冷卻，可以使用袋狀過濾器。在使用袋狀過濾器的場合下，焦油引起阻塞問題，但通過在旋風分離和過濾之間裂解焦油可以避免阻塞。
從氣流中分離金屬顆粒和其它固態顆粒時，也可以僅使用過濾器而不用旋風分離器。
下面將先參照附圖(圖1)進一步詳述本發明，接下來是本發明方法的實施例。


了實施本發明方法的設備。此設備包括一個立式反應容器1，它具有平面器壁，并作為流態化床的反應器，反應器底部是格柵2，格柵上面為鼓泡流態化床3，在從底部向上浮的空氣流4中形成流態化。浮在流態化床3中的顆粒例如沙粒，其尺寸約為0.3到1.0mm。待處理的原料加入流態化床3中(箭頭5)，在反應容器1的頂部設有加料管6，冷卻介質從此處注入反應器中上浮的氣流中。反應容器1上端處通過管7與旋風分離器8相連，以便分離由氣體攜帶的固態顆粒。被分離的固態顆粒通過旋風分離器低端9排出，氣流繼續通過管10到過濾器11進行剩余固態物的最后分離。所得到的氣化氣體繼續進入管12進行氣體燃燒。
在設備中處理和氣化的原料通常是由金屬鋁、聚合物和少量纖維殘余物組成的包裝廢棄物5，它以大約0.5到5mm片狀從流態化床的側面或底部加入其中。在此情況下，通常在流態化床中的氣化溫度為大約850℃。由有機物形成的氣體和由金屬和灰分形成的至少部分處于熔融狀態的顆粒，在反應器1中向上升，與冷卻介質6如在反應器上部注入到反應室內的冷卻水相接觸。氣體溫度就降至600℃以下，在此溫度下所攜帶的顆粒變成固態。此后，旋風分離器8將固態鋁顆粒從氣流中分離出來，該氣流經過濾器11后燃燒以產生能量。
實例1由鋁箔、聚乙烯塑料和少量纖維組成的液體包裝廢棄物在實驗設備中的流態化床中氣化，其中反應器的內直徑為154mm，從格柵表面到排氣管的有效高度約為7.5m。下表1列出細粉碎的廢棄物的主要參數。
表1

由于實驗設備的反應室較窄，廢棄物的破碎程度比實際工業氣化設備的要更細化。
在流化態床懸浮的顆粒為直徑0.5到1.0mm的沙粒。流態化床通過從格柵底部送入的氣流保持處于流化態，該氣流為空氣和水蒸汽的混合物，空氣流動速率為6.7g/s，而水蒸汽流動速率為0.75g/s。待氣化的廢棄物經螺旋輸送機加入流態化床底部，得到的廢棄物質流速率為2.8g/s，空氣系數為0.24。流態化床的氣化溫度為815℃，在此溫度下計算的流化速率為1.2m/s。水和氮氣的混合物分別通過兩個直徑為1.5mm和1.7mm的管嘴，在廢棄物輸入點以上約1.5m處注入到反應室內。由于實驗設備體積小，冷卻介質的注入設置未達最優化。通過在反應器頂部注入冷卻介質而冷卻的氣流溫度測定為545℃，干燥產物氣體的流速為35m3n/h。
氣化和產生的氣體的重要參數見表2。氣化實驗的整個持續時間為8h，在此階段沒有發現出工藝問題。由于在熔融鋁的作用下存在懸浮顆粒團聚的危險，在實驗過程中進行了沙子顆粒的取樣。但這些樣品沒有顯示任何燒結的跡象。實驗后，移走廢棄物輸送器，用鏡子檢查反應室的內部，以便檢測是否存在沉積。在檢測中沒有發現任何沉積。實例2在實例1的設備中將實例1中細粉碎的液體包裝廢棄物(參看表1)氣化，氣化條件基本上為由實例1限定的條件，但不同的是廢棄物輸入速率為4.0g/s，并且使用純氣體作為氣化氣體，其空氣系數為0.19。在流態化床中的氣化溫度為825℃。較高的氣化能力是由于空氣比水蒸汽的反應能力更高。氣化實驗的主要參數見表2。實例3被氣化的廢棄物和使用設備與實例1中的相同。氣化氣體由空氣和水蒸汽的混合物組成，其空氣系數為0.29，廢棄物輸入速率為2.3g/s。在流態化床中的氣化溫度為855℃，經注入介質冷卻后的產物氣體溫度為560℃。實驗參數見表2。
表2

被氣化的廢棄物中以氣體和重烴計算，在實驗中所得的碳轉化率在所有情況下都是高的。計算了在冷卻過程或任何其它情況下均不向產物氣體注入氮氣的條件下，該氣體的熱值。
在舉例說明的實驗中，鋁顆粒經旋風分離器與產物氣體分離。除金屬鋁外，旋風粉塵包含碳和氧化鋁(Al2O3)等雜質。在旋風分離過程中廢棄物中包含的金屬態鋁的回收率范圍為81.7到91.9％。回收率的不足主要是由于鋁的氧化，另外，少量的鋁通過旋風分離器而未被回收。
對那些本領域的技術人員來說，很顯然本發明的各種實施方案并不限于上面所描述的實例，但是可以在權利要求書的范圍內變化。
權利要求
1.一種用于處理含有鋁或類似在低溫熔化的金屬和有機物的原料、并包括金屬分離的方法，其特征在于該原料(5)被輸入鼓泡流態化床(3)中，其中有機物在高于所含金屬熔點的溫度下氣化，從流態化床移走的氣體和攜帶的金屬通過將冷卻介質(6)混入該氣流，使其溫度冷卻至金屬熔點以下，固態金屬顆粒(8)隨后從氣體中分離出來。
2.權利要求1中所述的方法，其特征在于所述原料是含有聚合物和鋁的包裝廢棄物。
3.權利要求2中所述的方法，其特征在于所述原料是在回收液體包裝板材時產生的含鋁、聚合物和纖維殘余物的廢棄物碎片。
4.根據以上任何一項權利要求的方法，其特征在于所述原料(5)主要以直徑范圍在約0.5到5cm的碎片輸入到流態化床(3)中。
5.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于所述流態化床(3)基本上由諸如沙子或氧化鋁顆粒這樣的不能磨碎的顆粒組成。
6.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于所述氣化溫度范圍為約670到900℃，優選約850℃。
7.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于所述氣化在具有平直器壁的立式反應器(1)中進行，冷卻介質(6)在流態化床(3)上方的反應器上部注進上升氣流之中。
8.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于所述冷卻介質為水。
9.根據權利要求1-7中任一項的方法，其特征在于所述冷卻介質為冷氮氣。
10.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于所述固態金屬顆粒通過旋風分離器(8)從氣流中分離出來。
11.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于所述氣流經過濾(11)使固態顆粒與之分離。
12.根據上述任何一項權利要求的方法，其特征在于燃燒與金屬顆粒分離的氣體以產生能量。
全文摘要
本發明涉及一種用于處理含有鋁或類似在低溫熔化的金屬和有機物,并包括金屬分離的方法。本發明特別是為了回收鋁和將有機物用作燃料利用而進行的含有鋁箔、聚合物和可能的纖維殘余物的液態包裝廢棄物的處理。按照本發明,原料(5)被輸入鼓泡流態化床(3),在此有機物在高于所含金屬熔點的溫度下氣化。隨后,離開流態化床的氣體和帶走的金屬通過將諸如水(6)的冷卻介質混入氣流中,使其溫度冷卻至金屬熔點以下。固態金屬顆粒最后從氣體,例如采用旋風(8)中分離出來,氣流在燃燒前可被過濾(11)。
文檔編號B09B3/00GK1246895SQ98802405
公開日2000年3月8日 申請日期1998年12月18日 優先權日1997年12月19日
發明者M·尼米南, E·庫爾凱拉 申請人:芬蘭技術研究中心