DE69102702T2 - Kohlendioxidbildung in einem mehrphasen-schmelzbad. - Google Patents

Kohlendioxidbildung in einem mehrphasen-schmelzbad.

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Description

    Allgeinemer Stand der Technik
  • Nach Schätzungen der Environmental Protection Agency (EPA, U.S. Umweltschutzbehörde) werden in den USA (weltweit) jährlich über 270 Milliarden Liter (70 Milliarden Gallonen) gefährlicher Abfälle erzeugt. Zu diesen gefährlichen Abfällen gehören organische Materialien, z. B. polychlorierte Biphenyle, Pestizide, Herbizide, städtischer Müll, Krankenhausabfälle einschließlich Krankheitserregern, Farben, Tinten und verunreinigte Lösemittel, Blutflüssigkeit und Sprengstoffe. Beispiele für anorganische Abfälle, die ein ernstes Umweltproblem darstellen, sind Eisen-, Zink-, Kupfer-, Blei-, Magnesium-, Aluminium-, Chrom- und Cadmiumoxide, die verschiedensten Abfälle in Pulverform aus der Metallherstellung sowie metallhaltige Schlämme.
  • Die U.S. Umweltschutzbehörde hat außerdem viele normale Abfallstoffe, z. B. Farbschlamm von Gerätefabriken, Chrom- und Nickelsätze aus Galvanisierbetrieben, Rohstoffreste für Lacke, Teppiche und Waschmittel in chemischen Fabriken, Lösemittel von Kleiderreinigungen und entfetteten Mikrochips aus Computern, Quecksilber von verbrauchten Uhrenbatterien, Butanreste von Wegwerf-Zigarettenanzündern und Lauge von Reinigungsbehältern, als giftig, entzündlich, ätzend oder gefährlich reaktiv eingestuft.
  • Deponien für die Entsorgung solcher Abfälle stehen immer weniger zur Verfügung. Wenn es keine geeigneten Deponien gibt, müssen gefährliche Abfälle in umweltfreundliche und vorzugsweise nützliche Stoffe umgewandelt werden.
  • In die Entwicklung alternativer Methoden zur Behandlung von gefährlichem Abfall ist in enormem Maße investiert worden. Verschiedene Arten von Reaktoren, die für die Zersetzung von gefährlichem Abfall verwendet werden, sind z. B. Drehöfen, Flüssigkeitseinspritzer, Mehrfachherde, Mehrkammer-, Flüssigbett-, Schmelzsalz- und Hochleistungskessel.
  • Ein üblicher Reaktor zur pyrolytischen und verbrennenden Vernichtung von organischen Abfällen ist der Drehofen. Die Pyrolyse wird in Drehöfen üblicherweise durch eine Hochtemperaturflamme ausgelöst. Die durch die Flamme erzeugten reaktiven Stoffe werden dann durch Kontakt mit Sauerstoff oxidiert. Da der Abfall jedoch oft hochviskos ist, ist es im allgemeinen schwierig, die reaktiven Stoffe mit Sauerstoff in Berührung zu bringen, um diese zu verbrennen. Folglich kann die Abfallvernichtung eingeschränkt werden. Außerdem tritt die durch Verbrennung freigesetzte Wärme in einiger Entfernung von der Flammenspitze auf, wenn die reagierenden Stoffe durch den Drehofen geschickt werden, wodurch die für den ersten Pyrolyseschritt verwendbare Wärme reduziert wird.
  • In US-A-3,812,620 offenbaren Titus et al. ein Schmelzbad aus Glas und diversen Metallen, die während der Verbrennung 'verschiedenartiger Abfallstoffe' entstehen, z. B. von städtischem Müll. Verschiedene organische Stoffe in den Abfällen werden im Schmelzbad bei Temperaturen von bis zu ca. 5.600 ºC (10.000 ºF) pyrolysiert. Die zersetzten Stoffe kommen allerdings nicht mit dem in das Schmelzbad eingeleiteten Sauerstoff in Berührung.
  • Rummel offenbart in US-A-2,647,045, 2,923,260 und 2,953,445 ein Schmelzschlackebad, das durch Reduktion von Eisenerz oder aus den 'nichtbrennbaren Rückständen von Kohleerzeugnissen' entsteht. Feinteilige Kohle wird in das Bad eingespeist und Luft wird mehrmals mit 'einem endothermen Reaktionsteilnehmer', d. h. Wasser, zugegeben. Das Verfahren wird bevorzugt in zwei getrennten, endothermen und exothermen Zonen durchgeführt.
  • Rassor et al. offenbaren in US-A-4,187,672 und 4,244,180 geschmolzenes Eisen, das als Lösemittel für Kohlenstoff verwendet wird, der durch Einleiten von Kohle von oben erzeugt wird. Die Kohle wird dann teilweise durch Eisenoxid und Einleiten von Sauerstoff von oben oxidiert. Verkokung und Oxidation werden jedoch in bestimmten Verkokungs- und Oxidationskammern durchgeführt.
  • Schmelzsalzverfahren sind auch bekannt. Sie sind gekennzeichnet durch die Reaktion von Alkalimetallcarbonaten in einem basischen oder ätzenden Schmelzbad, in das Sauerstoff und Abfälle eingeleitet werden. Solche Bäder arbeiten im allgemeinen jedoch hauptsächlich nach der thermischen Verteilung, und weniger nach der chemischen Reaktion, um die Abfallstoffe abzubauen (siehe z. B. US-A- 4,447,262, 4,246,255 und 4,017,271).
  • Die Vernichtung von polychlorierten Biphenylen (PCBs) in großem Maßstab kann in großen Hochleistungskesseln durch Zufuhr von herkömmlichem Brennstoff in Mengen von bis zu 5 % erfolgen (siehe 'Destruction of High Concentration PCBs in a Utility Boiler' von Siedhoff, Zale und Morris, Proceedings of the 1983 PCB Seminar, Electric Power Research Institute). Langzeitkorrosion und andere Auswirkungen sind bei solchen Hochleistungskesseln jedoch weitgehend unbekannt.
  • Eine weitere alternative Entsorgungsmethode ist die Oxidation von Abfall durch Reaktion von organischen Stoffen und Sauerstoff in Gegenwart von Wasser bei hoher Temperatur und Druck (siehe Wilhelmi, A.R. und Knoop, P.V. 'Wet Air Oxidation - An Alternative to Incineration', Chemical Engineeering Progress, 75: 46-52, August, 1979). Anorganische Salze, Holzkohle und metallhaltige Feststoffe können sich jedoch an den Wänden der für solche Verfahren verwendeten Anlagen sammeln. Diese Ablagerungen müssen entfernt werden, was zu Korrosion führt und die Betriebsfähigkeit und Lebensdauer solcher Anlagen begrenzt.
  • Bach et al. offenbaren in US-A-4,574,714 und 4,602,574 ein Einheitsverfahren, bei dem organische und anorganische Abfälle zusammen mit Sauerstoff in ein Metallschmelzbad eingespritzt werden. Das Metallschmelzbad enthält oder besteht aus Metallen und Metalloxiden mit unter den Bedingungen des Metallschmelzbades freien Oxidationsenergien, die größer sind als die freien Oxidationsenergien von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Die Abfallstoffe werden in Gegenwart des Metallschmelzbades pyrolytisch zersetzt und zu Kohlenmonoxid oxidiert. Das so erhaltene Kohlenmonoxid kann durch Berührung mit Sauerstoffgas, das in das Metallschmelzbad eingeleitet wird, oxidiert werden.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren und ein neues System zur Extraktion und katalytischen Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial zu atomarem Kohlenstoff und zur Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlendioxid.
  • Ein Verfahren zur katalytischen Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial zu atomarem Kohlenstoff und zur Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlendioxid in einem Metallschmelzbad schließt die Einleitung des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials in das Metallschmelzbad ein. Das Metallschmelzbad weist eine erste Phase aus geschmolzenem Metall auf, die ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine freie Oxidationsenergie besitzt, die unter den Bedingungen des Metallschmelzbades größer ist als die der Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und in dem der atomare Kohlenstoff gut löslich ist. Das Metallschmelzbad weist auch eine zweite Phase aus geschmolzenem Metall auf, die im wesentlichen mit der ersten Phase aus geschmolzenem Metall nicht mischbar ist. Diese zweite Phase aus geschmolzenem Metall enthält oder besteht aus einem Metall mit einer unter den Bedingungen des Schmelzbadsystems freien Oxidationsenergie, die größer ist als die der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, in der atomarer Kohlenstoff beträchtlich weniger löslich ist als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall, wodurch das Metallschmelzbad den in dem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial enthaltenen Kohlenstoff katalytisch in atomaren Kohlenstoff umwandelt und der in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall gebildete, atomare Kohlenstoff in die erste Phase aus geschmolzenem Metall wandert. Sauerstoff wird in das Metallschmelzbad eingeleitet, wodurch der atomare Kohlenstoff in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall zu Kohlenmonoxid oxidiert und das Kohlenmonoxid in die zweite Phase aus geschmolzenem Metall wandert, in der das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert.
  • Ein Metallschmelzbadsystem zur katalytischen Umwandlung eines kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials in atomaren Kohlenstoff und zur Oxidation des atomaren Kohlenstoffs zu Kohlendioxid besteht aus einem Behälter und dem Metallschmelzbad, das sich in dem Behälter befindet. Das Metallschmelzbad weist eine erste Phase aus geschmolzenem Metall auf, die ein Metall enthält oder daraus besteht, das unter den Bedingungen des Metallschmelzbadsystems eine freie Oxidationsenergie besitzt, die größer ist als die der Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid, und in der atomarer Kohlenstoff außerordentlich löslich ist. Das Metallschmelzbad weist auch eine zweite Phase aus geschmolzenem Metall auf, die im wesentlichen mit der ersten Phase aus geschmolzenem Metall nicht mischbar ist.
  • Diese zweite Phase enthält oder besteht aus einem Metall mit einer unter den Bedingungen des Metallschmelzbades freien Oxidationsenergie, die größer ist als die der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, in der atomarer Kohlenstoff wesentlich geringer löslich ist als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall, wodurch das Metallschmelzbad den in dem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial enthaltenen Kohlenstoff katalytisch in atomaren Kohlenstoff umwandelt und der in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall gebildete, atomare Kohlenstoff in die erste Phase aus geschmolzenem Metall wandert. Durch Vorrichtungen zur Einleitung von Sauerstoff in das Metallschmelzbad wird der atomare Kohlenstoff Sauerstoff ausgesetzt, wodurch der atomare Kohlenstoff in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall zum größten Teil zu Kohlenmonoxid oxidiert und das Kohlenmonoxid in die zweite Phase aus geschmolzenem Metall geleitet wird, in der das in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall gebildete Kohlenmonoxid zum größten Teil zu Kohlendioxid oxidiert. Durch Vorrichtungen zur Entfernung von Kohlendioxid wird das im Metallschmelzbad gebildete Kohlendioxid aus dem Metallschmelzbadsystem entfernt.
  • Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Von den kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterialien werden freie Radikale der atomaren Bestandteile, einschließlich Kohlenstoff, gebildet. Mindestens ein Teil der freien Radikale wird durch exotherme Reaktion in relativ stabile Verbindungen umgewandelt, z. B. Kohlendioxid und Wasser. Die durch die exotherme Reaktion erzeugte Wärme kann ausreichen, damit die geschmolzenen Metalle des Schmelzbades atomare Bestandteile zusätzlicher, kohlenstoffhaltiger Einsatzmaterialien in die entsprechenden Elemente katalytisch umwandeln. Die freien Radikale können auch direkt zur Bildung anderer, freier Radikale aus dem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial beitragen. Durch die exotherme Reaktion kann auch genügend Wärme erzeugt werden, die aus dem Schmelzbad abgeführt und für andere Zwecke genutzt werden kann, z. B. zur Erzeugung von Strom. Nicht mischbare Metalle im Schmelzbad erlauben die Auswahl von Metallkombinationen nach relativer Löslichkeit und freien Oxidationsenergien, wodurch die Reaktion von freien Radikalen zu relativ stabilen Verbindungen gesteuert werden kann.
  • Chemische Energie, Massenenergie und thermische Energie können innerhalb des Metallschmelzbades zur Bildung thermodynamisch stabiler Verbindungen unter den Bedingungen, die durch jede Phase des das Reaktionssystem kennzeichnenden Metallschmelzbades spezifiziert sind, übertragen werden. Außerdem kann die Umwandlung in stabile Verbindungen ziemlich vollständig vollzogen werden, was die Emission beträchtlicher Mengen toxischer Stoffe in die Atmosphäre verhindert. Ebenso gestattet die hohe Löslichkeit der im Schmelzbad gebildeten Verbindungen die Ansammlung beachtlicher Mengen dieser Verbindungen im Schmelzbad. Viele der gebildeten Verbindungen können entsorgt werden, indem sie in eine glasartige, kristallographische Matrix einer über dem Metallbad angeordneten Schlackeschicht eingearbeitet werden, aus der sie nicht ausgelaugt werden können. Gasförmige Emissionen von Schadstoffen können so beträchtlich reduziert werden.
    • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • Abbildung 1 ist eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schmelzbadsystems.
  • Abbildung 2 ist eine Skizze freier Oxidationsenergien von gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneten Metallen und der Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
  • Merkmale und andere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden unter Einbeziehung der begleitenden Abbildungen eingehend beschrieben und in den Ansprüchen aufgeführt.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und System zur Extraktion atomarer Bestandteile aus einem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial und zur Umwandlung der atomaren Bestandteile in einem Metallschmelzbad in thermodynamisch beständige Formen. Bach et al. (U.S. Patent Nr. 4,574,714 und 4,602,574) offenbaren ein Metallschmelzbad, wie es z. B. bei der Stahlerzeugung verwendet wird, das polychlorierte Biphenyle und andere organische Abfälle, ggf. zusammen mit anorganischen Abfällen, vernichtet.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Schmelzbadsystem (10), wie in Abbildung 1 dargestellt, beschrieben. Die Abbildung zeigt einen Behälter (12) mit Einlaß für das Einsatzmaterial (14). Der Behälter (12) ist aus einem geeigneten, in der Technik bekannten Material gefertigt. Der Einlaß für das Einsatzmaterial (14) ist so beschaffen, daß ein geeignetes, kohlenstoffhaltiges Einsatzmaterial in den Behälter (14) geleitet werden kann. Durch einen Abzug für heißes Gas (16) über dem offenen Teil (17) des Behälters (12) wird heißes Gas vom Behälter (12) zur Weiterbehandlung abgeleitet (die Vorrichtung zur Behandlung der durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildeten Gase ist nicht abgebildet).
  • Zu dem Düsenrohr (18) gehört ein Sauerstoff-Einlaßrohr (20), das die Verbindung zwischen Sauerstoffquelle (22) und unterem Teil (23) des Behälters (12) darstellt. Zu dem Düsenrohr (18) gehört auch ein Sauerstoff-Einlaßrohr (20), das im Rohr (24) für die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Einsatzgases an der Düsenrohröffnung (26) angebracht ist. Das Rohr (24) für die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Einsatzgases stellt die Verbindung zwischen kohlenstoffhaltiger Einsatzgasquelle (28) und Behälter (12) dar. Das Düsenrohr (18) ist so ausgelegt, daß eine gleichzeitige und kontinuierliche Zufuhr von geeignetem, kohlenstoffhaltigem Einsatzgas und Sauerstoff in den Behälter (12) möglich ist. Es versteht sich jedoch, daß Kohlenstoffgas und Sauerstoff eher stoßweise als kontinuierlich in den Behälter (12) eingeleitet werden können. Es versteht sich ferner, daß sich mehr als ein Düsenrohr (18) sowie jede geeignete, in der Technik bekannte Blasvorrichtung im Behälter (12) befinden können.
  • Über den Bodenabfluß (30) wird geschmolzenes Metall aus dem Behälter (12) entfernt. Weitere Abflüsse können zur kontinuierlichen oder getrennten Entfernung zusätzlicher Phasen vorhanden sein. Eine Induktionsspule (32) am Behälter (12) sorgt dafür, daß der Behälter (12) in ausreichendem Maße aufgeheizt wird, um während des erfindungsgemäßen Verfahrens Wärme zu liefern. Es versteht sich, daß der Behälter (12) auch durch andere Mittel beheizt werden kann, z. B. durch Sauerstoffbrenner oberhalb des Bades, Lichtbogen usw. Zum besseren Hantieren können am Behälter (12) Griffe (34) angebracht sein. Zwischen dem Behälter (12) und dem Abzug für heißes Gas (16) befindet sich eine Dichtung (36), die es erlaubt, den Behälter (12) an den Griffen (34) teilweise zu drehen, ohne die Dichtung (36) der Ableitung für heißes Gas (16) zu beschädigen.
  • Der Behälter (12) kann herkömmlicher oder nicht herkömmlicher Art sein. Beispiele für geeignete Behälter mit passenden Einspritzvorrichtungen sind K-BOP (Kawasaki Basic Oxygen Steelmaking Process Vessel), Q-BOP (Quiesscent Bottom-Blow Steelmaking Process Vessel), AOD (Argon-Oxygen Decarbonization Furnace), EAF (Electric Arc Furnace) usw. Diese sind mit geeigneten, in herkömmlichen Verfahren zur Stahlherstellung bekannten Vorrichtungen zur Einspritzung von oben und unten sowie Befüllung von oben versehen.
  • Im Behälter (12) befindet sich das Metallschmelzbad (44). Es besteht aus einer ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46), die wiederum ein Metall enthält oder daraus besteht, das unter den Bedingungen des Metallschmelzbadsystems (44) eine freie Oxidationsenergie aufweist, die größer ist als die der Umwandlung von freiem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Atomarer Kohlenstoff ist in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) gut löslich. Im Bad aus geschmolzenem Eisen wird durch gezielte Einleitung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial und Sauerstoff ein dynamisches Kohlenstoffgleichgewicht mit ca. 0.5 % bis ca. 6 % Kohlenstoff, vorzugsweise ca. 2 % bis ca. 3 % Kohlenstoff, aufrechterhalten.
  • Geeignete Metalle für die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) können beispielsweise Eisen, Chrom, Mangan usw. sein. Es versteht sich, daß die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) mehr als ein Metall aufweisen kann. Sie kann z. B. eine Lösung aus Metallen aufweisen, in denen der atomare Kohlenstoff gut löslich ist. Es versteht sich außerdem, daß die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) Oxide des Metalls der ersten Phase aus geschmolzenem Metall aufweisen kann.
  • Das Metallschmelzbad (44) enthält auch eine zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48). Diese zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) ist im wesentlichen in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) nicht mischbar. Die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) enthält oder besteht aus einem Metall, das unter den Bedingungen des Metallschmelzbadsystems (44) eine freie Oxidationsenergie aufweist, die größer ist als die der Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die Löslichkeit des ungebundenen Kohlenstoffradikals in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) ist geringer als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46). In einem Ausführungsbeispiel liegt die Löslichkeit des atomaren Kohlenstoffs in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall bei bis zu ca. 1 Gew.-%.
  • Geeignete Metalle für die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) sind beispielsweise Kupfer, Nickel, Kobalt usw. Es versteht sich, daß die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) mehr als ein Metall aufweisen kann. Sie kann z. B. eine Lösung aus Metallen aufweisen, in der atomarer Kohlenstoff geringer löslich ist als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46). Es versteht sich ferner, daß die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) Oxide des Metalls der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall aufweisen kann.
  • Das Metallschmelzbad (44) kann durch wenigstens teilweise Füllung des Behälters (12) mit den für die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) und die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) geeigneten Metallen hergerichtet werden. Die Metalle werden dann durch Aktivierung der Induktionsspule (32) oder durch andere Mittel (nicht abgebildet) auf die richtige Temperatur erhitzt. Während des Erhitzens schmelzen die Metalle und trennen sich in die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) und die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48). Gegebenenfalls ist die Zugabe einer Reaktionskomponente erforderlich, um zu erreichen, daß sich die Phasen nicht vermischen. In einem Ausführungsbeispiel liegt die Viskosität des Metallschmelzbades (44) nicht über ca. 10&supmin;² Newton Sekunde/m² (10 centipoise). Es versteht sich jedoch, daß mehr als zwei Phasen aus geschmolzenem Metall gebildet werden können. Die Anzahl der Phasen aus geschmolzenem Metall sowie die Metalle in diesen Phasen können im Hinblick auf den Transport von Wärme, Masse und chemischer Energie zwischen den Phasen aus geschmolzenem Metall ausgewählt werden, um geeignete Verbindungen zu erhalten, die unter den Bedingungen des Metallschmelzbades (44) thermodynamisch stabil sind.
  • Geeignete Bedingungen für das Metallschmelzbadsystem (44) sind ausreichende Temperaturen und Sauerstoffpartialdrücke im Metallschmelzbad (44), die bewirken, daß die freie Oxidationsenergie in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) größer ist als die der Umwandlung der ungebundenen Kohlenstoffradikale zu Kohlenmonoxid und daß die freie Energie der Metallumwandlung in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) größer ist als die der Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die Temperatur des Metallschmelzbades (44) soll außerdem so hoch sein, daß das Metallschmelzbad (44) flüssig ist und die katalytische Umwandlung von Kohlenstoff aus einem geeigneten, kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial in atomaren Kohlenstoff erfolgen kann.
  • In einem Ausführungsbeispiel liegt eine Glasschicht (50) über dem Metallschmelzbad (44). Die Glasschicht (50) ist im wesentlichen im Metallschmelzbad (44) nicht mischbar. Die Glasschicht (50) weist mindestens ein Metalloxid auf, dessen Metallelement unter den Bedingungen des Metallschmelzbades (44) eine freie Oxidationsenergie besitzt, die geringer ist als die der Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid.
  • Die Löslichkeit von Kohlenstoff und Kohlenmonoxid in der Glasschicht (50) kann geringer sein als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (48), um dadurch den atomaren Kohlenstoff und das freie Kohlenmonoxidradikal im Metallschmelzbad (44) zu halten.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Glasschicht (50) eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit auf als das Metallschmelzbad (44). Der Verlust an Strahlungswärme aus dem Metallschmelzbad (44) wird dadurch unter den eines Schmelzbades, bei dem keine Glasschicht vorliegt, gesenkt.
  • Geeignete Metalloxide sind z. B. Titanoxid (TiO), Zirkonoxid (ZrO&sub2;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) usw. Andere geeignete Bestandteile der Glasschicht (50) sind beispielsweise Halogene, Schwefel, Phosphor, Schwermetalle usw. Es versteht sich, daß die Glasschicht (50) mehr als ein Metalloxid aufweisen kann. Die Glasschicht (50) ist flüssig, und freie Radikale und andere Gase können vom Metallschmelzbad (44) über die Glasschicht (50) passieren.
  • Die Glasschicht (50) wird durch Zufuhr geeigneter Komponenten, z. B. Metalle, Metalloxide, Halogene, Schwefel, Phosphor, Schwermetalle, Schmelzmittel, Schlämme usw., von der Schmelzmittelquelle (42) durch das Einlaßrohr (40) auf und in das Metallschmelzbad (44) oder von unterhalb der Oberfläche des Bades, wie in der Technik bekannt, gebildet. Die Komponenten bilden Oxide, indem man sie Sauerstoffgas aussetzt, das in den Behälter (12) geleitet wird, oder bilden unter den Bedingungen des Systems andere stabile Verbindungen, indem sie mit anderen, weniger stabilen Komponenten, z. B. Alkalimetall- oder Erdalkalimetall-Kationen, reagieren. Solche stabilen, reagierenden Produkte sind z. B. Calciumfluorid (CaF&sub2;) und Magnesiumphosphat (Mg(PO&sub4;)&sub2;). Eine dünne Glasschicht (50) erleichtert das Überleiten von Kohlendioxid, freien Kohlenmonoxidradikalen und anderen gasförmigen Stoffen über die Glasschicht (50) zur Gasphase (51).
  • Eine Gasphase (51) bildet sich über dem Schmelzbad (44) oder, wenn eine Glasschicht (50) vorhanden ist, über dieser. Die Gasphase (51) kann Sauerstoff aufweisen, der in den oberen Teil (17) von Behälter (12) von der Sauerstoffquelle (22) durch das zweite Sauerstoffeinlaßrohr (38) eingespeist wird, wenn die chemische Verarbeitung in der Gasphase (51) dies gewährleistet. In einem Ausführungsbeispiel kann die Gasphase (51) auch Gas aufweisen, das im Metallschmelzbad (44) und in der Glasschicht (50) gebildet wird. Freie Radikale, die im Schmelzbad (44) und in der Glasschicht (50) gebildet werden, können mit Sauerstoff in der Gasphase (51) oder anderen Stoffen, vorzugsweise organischen, reagieren, die durch die Gasphase (51) strömen. Die Gase in der Gasphase (51) werden mit geeigneten Mitteln durch den Abzug für heißes Gas (16) aus dem Behälter (12) abgeführt. Die Sauerstoffzufuhr durch das zweite Sauerstoffeinlaßrohr (38) in den Behälter (12) und der Gasabzug durch den Abzug für heißes Gas (16) erfolgt so, daß im Behälter (12) ein ausreichender Sauerstoffpartialdruck aufrechterhalten wird, um die katalytische Umwandlung von Kohlenstoff in kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial zu atomarem Kohlenstoff und von atomarem Kohlenstoff in Kohlendioxid zu ermöglichen.
  • In einem Ausführungsbeispiel werden ein kohlenstoffhaltiges Einsatzgas von der kohlenstoffhaltigen Einsatzgasquelle (28) und Sauerstoff von der Sauerstoffquelle (22) durch das Düsenrohr (18) im unteren Teil (19) des Behälters (12) in das Metallschmelzbad (44) geleitet. Das kohlenstoffhaltige Einsatzgas wird mit dem Metallschmelzbad (44) in Berührung gebracht und dadurch Bedingungen ausgesetzt, die die katalytische Umwandlung von Kohlenstoff aus dem kohlenstoffhaltigen Gas in atomaren Kohlenstoff bewirken.
  • Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff 'katalytische Umwandlung' bedeutet, daß das Metallschmelzbad (44) die Bindungen zwischen den Atomen im kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial weit genug schwächt, um die Spaltung der Bindungen zu erleichtern und die Kohlenstoffe unter den Bedingungen des Schmelzbadsystems in atomaren Kohlenstoff umzuwandeln.
  • Geeignete, kohlenstoffhaltige Einsatzgase sind z. B. Kohlenwasserstoffe usw. Außer Kohlenstoff kann das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial (52) noch andere atomare Bestandteile, z. B. Wasserstoff, Halogenide und Metalle, enthalten.
  • Kohlenstoffhaltiges Einsatzgas und Sauerstoff werden gleichzeitig und gemeinsam durch das Düsenrohr (18) eingespeist. In einem Ausführungsbeispiel werden Sauerstoff und kohlenstoffhaltiges Einsatzgas so in das Metallschmelzbad (44) eingespeist, daß sich eine Emulsion aus dem unvermischbaren, geschmolzenen Metall der ersten Phase (46) und dem der zweiten Phase des Schmelzbades (48) bildet. In der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) sowie in der zweiten Phase (48) bilden sich kohlenstofffreie Radikale.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) die untere Schicht, die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) die obere Schicht in dem Metallschmelzbad (44) bilden, die unmittelbar über der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) daran angrenzt. Die Glasschicht (50) liegt unmittelbar daran angrenzend über der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48), die die obere Schicht des Metallschmelzbades (44) bildet.
  • Atomarer Kohlenstoff ist in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) geringer löslich als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46). Durch Berührung der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) mit der zweiten Phase (48) wandert atomarer Kohlenstoff von der zweiten Phase (48) in die erste Phase (46) aus geschmolzenem Metall. So sammelt sich eine beträchtliche Menge atomaren Kohlenstoffs, der durch Umwandlung von Kohlenstoff im kohlenstoffhaltigen Einsatzgas gebildet wurde, in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46).
  • Außer atomarem Kohlenstoff werden auch freie Radikale anderer, atomarer Bestandteile des kohlenstoffhaltigen Einsatzgases gebildet. Diese anderen, atomaren, freien Radikale sind zumindest teilweise in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46), der zweiten Phase (48) oder der Glasschicht (50) löslich. Die relative Menge jedes atomaren Radikals, die in den geschmolzenen Metallen und der Glasschicht (50) gelöst ist, ist abhängig von der relativen Löslichkeit jedes einzelnen der Elemente in den Metallen und anderen Komponenten, die für das Metallschmelzbad (44) und die Glasschicht (50) ausgewählt wurden. Die freien Radikale können exothermisch mit anderen Komponenten im Metallschmelzbad (44) und in der Glasschicht (50) reagieren. Sie erzeugen dadurch Wärme und bilden Reaktionsprodukte, die unter den Bedingungen des Metallschmelzbades (44) und im Metallschmelzbad (44) oder der Glasschicht (50) stabil sind.
  • Alternativ dazu können die freien Radikale, die nicht Kohlenstoff sind, im Metallschmelzbad (44) und in der Glasschicht (50) im wesentlichen unlöslich sein, wodurch die freien Radikale im Metallschmelzbad (44) und in der Glasschicht (50) in die Gasphase (51) über der Glasschicht (50) wandern. Der durch das zweite Sauerstoffeinlaßrohr (38) in den oberen Teil (17) des Behälters (12) eingespeiste Sauerstoff kommt mit den freien Radikalen in Berührung und reagiert mit diesen zu gasförmigen Oxiden. Die gasförmigen Oxide werden durch den Abzug für heißes Gas (16) aus dem Behälter (12) entfernt.
  • Außerdem können freie Radikale, einschließlich Kohlenstoff-Triplett-Monoxid, zur Bildung von anderen freien Radikalen aus dem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial beitragen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein nicht giftiges und halbgiftiges, kohlenstoffhaltiges Einsatzmaterial (52) durch die Einlaßöffnung (14) in das Schmelzbadsystem (10) eingespeist. Für dieses Schmelzbadsystem (10) geeignete, kohlenstoffhaltige Einsatzmaterialien (52) sind z. B. Papier, Holz, Reifen, Kohle usw. Auch anorganische Einsatzstoffe können über das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial (52) eingespeist werden. Geeignete, anorganische Einsatzmaterialien sind z. B. Metalle und deren Oxide, Sulfide und Halogenide. Das durch die Einlaßöffnung (14) eingespeiste Einsatzmaterial kann fest oder flüssig sein. Außer Kohlenstoff kann das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial (52) noch andere atomare Bestandteile aufweisen, z. B. Wasserstoff, Halogenide, Metalle usw.
  • Das durch die Einlaßöffnung (14) eingespeiste, kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial (52) kommt mit Mischungen der Glasschicht (50), wenn eine solche Glasschicht vorhanden ist, oder dem Metallschmelzbad (44) in Berührung. Durch den Kontakt des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials mit dem Metallschmelzbad (44) oder der Glasschicht (50) wird das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial Bedingungen ausgesetzt, unter denen eine Umwandlung des Kohlenstoffs im kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial in atomaren Kohlenstoff und anderer atomarer Bestandteile in die entsprechenden, stabilen Stoffe, wie unter den Bedingungen des Bades definiert, erfolgt.
  • Die Umwandlung von Kohlenstoff und anderen atomaren Bestandteilen in die jeweiligen freien Radikale kann dadurch erfolgen, daß das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial Kohlenstoff und anderen freien Radikalen, die bereits aus den atomaren Bestandteilen im kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial umgewandelt worden sind, ausgesetzt wird, oder durch katalytische Umwandlung während des Kontaktes mit dem Metallschmelzbad (44) oder durch beide Mechanismen.
  • Eine beträchtliche Menge an atomarem Kohlenstoff wandert durch die Glasschicht und kommt mit dem Metallschmelzbad (44) in Kontakt. Andere Bestandteile reagieren entweder mit Sauerstoff in der gasförmigen Phase zu gasförmigen Oxiden, die sich in der Glasschicht (50) oder im Metallschmelzbad (44) lösen. Die relativen Mengen chemischer Einheiten, einschließlich der freien Radikale, in der Glasschicht (50) und der ersten und zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (46 und 48) sind zumindest teilweise abhängig von der relativen Löslichkeit jedes chemischen Bestandteils in den Metallen, Metalloxiden und anderen Komponenten, die für den Einsatz im Schmelzbadsystem (10) ausgewählt wurden.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist die Löslichkeit von atomarem Kohlenstoff in der Glasschicht (50) und der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) geringer als in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46). Deshalb löst sich atomarer Kohlenstoff bei Berührung mit der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) bevorzugt in dieser ersten Phase (46). Aus diesem Grund wird ein beträchtlicher Teil des im Schmelzbadsystem (10) gebildeten, atomaren Kohlenstoffs in die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) eingespeist.
  • Zumindest ein Teil des durch das Düsenrohr (18) in den unteren Teil (19) des Behälters (12) eingespeisten Sauerstoffs kommt mit der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) und dem in dieser Phase gelösten, atomaren Kohlenstoff in Berührung. In einem Ausführungsbeispiel ist das stöchiometrische Verhältnis des in das Schmelzbadsystem (10) eingespeisten Sauerstoffs zum oxidierbaren Anteil im kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial größer als ca. 1 : 1. Mindestens ein Teil des Sauerstoffs, der mit der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) und dem in dieser Phase gelösten, atomaren Kohlenstoff in Berührung kommt, reagiert mit dem atomaren Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid, da die freie Oxidationsenergie des Metalls in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) größer ist als die der Oxidation von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid.
  • Durch die Bildung von Kohlenmonoxid in der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) und Berührung dieser Phase mit der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) wandert ein beträchtlicher Teil des gebildeten Kohlenmonoxids in die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48). Ein großer Teil des Kohlenmonoxids in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) kommt zumindest mit einem Teil des durch das Düsenrohr (18) in das Metallschmelzbad (44) eingespeisten Sauerstoffs in Kontakt und reagiert mit dem Sauerstoff zu Kohlendioxid, da die freie Oxidationsenergie des Metalls in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (46) größer ist als die der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid.
  • Durch die Bildung von Kohlendioxid in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) wandert eine beträchtliche Menge des gebildeten Kohlenmonoxids, z. B. durch Diffusion, von der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) durch die Glasschicht (50) in die Gasphase (51). Das Kohlendioxid in der Gasphase (51) wird dann durch den Abzug für heißes Gas (16) aus dem Schmelzbadsystem (10) abgeführt.
  • Die durch die exothermen Reaktionen von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid freigesetzte Wärme kann Wärme für die endotherme Bildung von atomarem Kohlenstoff und anderen, atomaren Bestandteilen des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials liefern. Die exotherme Reaktion anderer freier Radikale, die aus anderen atomaren Bestandteilen des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials gebildet werden, kann auch Wärme für die weitere Erzeugung freier Radikale und für weitere endotherme Reaktionen im Metallschmelzbad (44), in der Glasschicht (50) und der Gasphase (51) liefern.
  • Die durch exotherme Reaktionen freigesetzte Wärme, z. B. durch Bildung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, im Metallschmelzbad (44), in der Glasschicht (50) und der Gasphase (51) kann ebenfalls aus dem Schmelzbadsystem (10) abgeführt werden. In einem Ausführungsbeispiel wird die Wärme durch die Behälterwand (54) zu einer Schlange (56) geleitet, die mit einer geeigneten Isolierung (58) beschichtet ist und ein geeignetes Wärmeübertragungsmittel, z. B. Wasser oder flüssiges Metall, enthält. Das Wärmeübertragungsmittel zirkuliert in der Schlange und transportiert so Wärme vom Metallschmelzbad (44) zur Stromerzeugungsanlage (60). Eine geeignete Stromerzeugungsanlage ist z. B. eine Dampfturbine.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) Eisen und die zweite Phase (48) Kupfer auf. Unter Ruhebedingungen bildet die erste Phase aus geschmolzenem Metall (46) die obere Schicht, während die zweite Phase (48) unmittelbar darunter angrenzend die untere Schicht bildet. Das geschmolzene Kupfer und geschmolzene Eisen bilden getrennte Schichten, da sie zum größten Teil nicht mischbar sind und verschiedene Dichten haben. Durch Durchwirbeln und Rühren des Metallschmelzbades wird dieses System in eine Emulsion umgewandelt. Die Temperatur der ersten und der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (46 und 48) beträgt ca. 1400 ºC (2500 ºF). Die Glasschicht (50) weist Calciumoxid (CaO), Siliziumoxid (SiO&sub2;) und Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) auf. Der typische Gehalt an Calciumoxid in der Glasschicht (50) beträgt ca. 40 %, von Siliziumoxid ca. 40 % und von Aluminiumoxid ca. 20 %.
  • Die Glasschicht (50) liegt über der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) und grenzt unmittelbar daran an. Chlorbenzol (C&sub6;H&sub5;Cl), als kohlenstoffhaltiges Einsatzgas, und Sauerstoff werden gemeinsam und kontinuierlich durch das Düsenrohr (18) in die untere Schicht geleitet. Kohlenstoff, Wasserstoff und Chlor im Chlorbenzol werden katalytisch in freie Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Chlorradikale umgewandelt, indem man sie dem geschmolzenen Eisen aussetzt. Durch die Einleitung von Sauerstoff in die untere Schicht reagiert der atomare Kohlenstoff mit dem Sauerstoff zu Kohlenmonoxid. Die Reaktion von atomarem Kohlenstoff mit Sauerstoff ist exotherm, wodurch Wärme für die fortdauernde, endotherme, katalytische Umwandlung von Chlorbenzol zu freien Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Chlorradikalen freigesetzt wird.
  • Wie Abbildung 2 zeigt, ist die Oxidationsenergie von Eisen größer als die der Umwandlung von atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oberhalb von ca. 700 ºC. Folglich reagiert zumindest ein Teil des in das geschmolzene Eisen eingespeisten Sauerstoffs mit atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid, weniger zu Eisenoxid (FeO).
  • Die durch die kontinuierliche, gemeinsame Zufuhr von Chlorbenzol und Sauerstoff in das geschmolzene Eisen hervorgerufene Ansammlung von Kohlenmonoxid im geschmolzenen Eisen und die Berührung mit dem geschmolzenen Eisen führt dazu, daß Kohlenmonoxid vom geschmolzenen Eisen zum geschmolzenen Kupfer wandert. Ebenfalls wandert zumindest ein Teil des in das geschmolzene Eisen eingespeisten Sauerstoffs von der Phase aus geschmolzenem Eisen in die Phase aus geschmolzenem Kupfer.
  • Wie Abbildung 2 zeigt, ist die bei der Temperatur des Metallschmelzbades (44) freie Oxidationsenergie von Kupfer größer als die der Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und von Wasserstoff zu Wasser (H&sub2;O). Daher reagiert zumindest ein Teil des Sauerstoffs in der Phase aus geschmolzenem Kupfer vielmehr mit Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und mit Wasserstoff zu Wasser als mit Kupfer zu Kupferoxid (Cu&sub2;O).
  • Außerdem löst Kupfer atomaren Kohlenstoff in geringerem Maße als Eisen. Daher löst sich atomarer Kohlenstoff vorzugsweise in der Phase aus geschmolzenem Eisen und weniger in der Phase aus geschmolzenem Kupfer. Da die Löslichkeit von Kohlenstoff in geschmolzenem Kupfer geringer ist als in geschmolzenem Eisen, bildet sich Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid, dessen freie Oxidationsenergie größer ist als die von atomarem Kohlenstoff bei der Bildung von Kohlenmonoxid. Bei gleicher Löslichkeit des atomaren Kohlenstoffs in den beiden Schichten könnte Kohlenmonoxid nicht vollständig zu Kohlendioxid reagieren, weil der vorhandene Sauerstoff bevorzugt mit atomarem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid reagieren würde. Daher erlaubt die in der Phase aus geschmolzenem Kupfer geringere Löslichkeit von Kohlenstoff im Vergleich zur unteren Phase aus geschmolzenem Eisen eine im wesentlichen vollständige Reaktion von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in der Phase aus geschmolzenem Kupfer. Das Kohlendioxidgas entweicht dann aus dem geschmolzenen Kupfer und wird durch die Glasschicht (50) in die Gasphase (51) geleitet, von wo es durch den Abzug für heißes Gas (16) aus dem Schmelzbadsystem (10) entfernt wird.
  • Freie Wasserstoffradikale können auch zu freien Hydroxidradikalen (OH) in der Phase aus geschmolzenem Kupfer umgewandelt werden. Die freien Hydroxidradikale können von der Phase aus geschmolzenem Kupfer in die Glasschicht (50) und die Gasphase geleitet werden.
  • Die im Metallschmelzbad (44) gebildeten, freien Chloridradikale können, z. B. durch Diffusion, durch das Metallschmelzbad (44) in die Glasschicht (50) wandern, wo sie mit Calciumoxid zu Calciumchlorid (CaCl&sub2;) reagieren können. Auch freie Chlorradikale können in die Gasphase (51) geleitet werden und so zur Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial, das durch die Einlaßöffnung (14) in das Schmelzbadsystem (10) gespeist wird, beitragen.
  • In diesem Zusammenhang versteht es sich, daß die erste und die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (46 und 48) des Schmelzbadsystems (10) so gewählt werden können, daß andere atomare Bestandteile, z. B. Wasserstoff, in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) besser löslich sind als in der ersten Phase (46). Der Fachmann erkennt, daß das Verhältnis von Kohlendioxid und Wasser, gebildet in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48), durch die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten sowie andere, die zweite Phase aus geschmolzenem Metall (48) kennzeichnende, biochemische Eigenschaften bestimmt wird. Auch die Metalle können so gewählt werden, daß die freie Oxidationsenergie der ersten Phase aus geschmolzenem Metall (46) geringer ist als die der Oxidation der atomaren Bestandteile, z. B. freien Wasserstoffradikale, bei der Bildung von Wasser. Die freie Oxidationsenergie des Metalls in der zweiten Phase aus geschmolzenem Metall (48) ist jedoch größer als die der Oxidation des freien Wasserstoffradikals.
  • Das Grundkonzept umfaßt die katalytische Extraktion von lösbaren, chemischen Stoffen aus ausgewählten Abfällen, die Wasserstoff, Kohlenstoff, Halogenide, Metalle usw. enthalten, in bereitstehende Phasen mit geeigneter chemischer Zusammensetzung. Der Transfer von Masse, chemischer Energie und latenter Wärme über die Phasengrenzschichten erfolgt durch Umwandlung dieser Stoffe in chemische Einheiten mit geringerer Löslichkeit in der Ausgangsphase und bevorzugter Löslichkeit in einer alternativen Phase oder alternativen Phasen des Reaktionssystems. Reaktionskomponenten, die Sauerstoff, Wasserstoff, Halogenide, Schwefel und Metalle enthalten, können zu diesem Zweck eingespeist werden.
  • Verteilung und Transport von Masse, Wärme und chemischer Energie in die bereitstehenden Phasen werden durch die relativen Löslichkeiten jeder Phase in den chemischen Einheiten und die chemische Umgebung, der diese Stoffe durch die dazugehörige Phase ausgesetzt sind, bestimmt. Das Verhalten einer Phase und somit ihre chemische Umgebung wird durch ihre charakteristischen, biochemischen Eigenschaften bestimmt. Typische, bestimmende Eigenschaften sind Zusammensetzung, Temperatur und Druck. Verhindert die durch die biochemischen Eigenschaften der Ausgangsphase gekennzeichnete Umgebung die Freisetzung chemischer Energie in die Phase, kann diese (potentielle) Energie immer noch in andere, bereitstehende Phasen abgegeben werden, vorausgesetzt ihre chemische Disposition ist dafür günstig. Wie vorher deutlich gemacht, kann sich die chemische Disposition durch Veränderungen in der Zusammensetzung, der Einspeisung der Reaktionskomponente, der Temperatur, des Druckes usw. ändern.
  • Nehmen wir z. B. ein Reaktionssystem bestehend aus Cr in Phase 1, Cu in Phase 2, Metalloxiden, z. B. CaO, SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, in Phase 3 und, in Phase 4, aus Gasresten im Raum unmittelbar über und in Kontakt mit der Phase 3. Durch Einspritzen von Chlorbenzol in die Phase 1 werden C, H und Cl durch diese Phase katalytisch extrahiert. Durch Einspeisen der Reaktionskomponente erfolgt der Transfer dieser Stoffe und ihrer Energien in benachbarte Energien. Durch Einspritzen von O&sub2; in die Phase 1 wird C exothermisch in CO umgewandelt und CO in die Phase 2 transportiert. Durch die Anwesenheit von Sauerstoff in der Phase 2 wird CO exothermisch in CO&sub2; und gelöster Wasserstoff (H) in OH umgewandelt. Diese Stoffe können durch die Phase 3 in die Phase 4 gelangen, wo das OH Radikal aufgrund seines Zustands noch chemische Energie enthält. Ist die chemische Umgebung von Phase 2 gegenüber dem Hydroxylradikal (OH) aggressiv, kann die Reaktion weitergehen und in Phase 2 unter der entsprechenden Freisetzung von Energie H&sub2;O gebildet werden. Das durch die Phase 3 strömende Chlor kann durch das anwesende CaO als CaCl&sub2; in Phase 3 abgefangen oder als Reaktionskomponente in diese Phase eingespeist werden. Gegebenenfalls darf es in die Phase 4 gelangen und durch Reaktion der freien Radikale die Zersetzung von in der Phase 4 anwesenden Stoffen beschleunigen.
  • Das obenbeschriebene Reaktionssystem bietet den Transfer zu thermisch angeregtem CO aus Phase 1 in Phase 2 und gegebenenfalls Phase 3 und 4 über das Instrument des selektiven Sauerstoffpartialdrucks. Der Übergang von CO von einer Phase in eine andere, wobei in letzterer eine Oxidation erfolgt, führt zu einem Energietransfer von der ersten in die zweite Phase. Das in die Phase 4 strömende CO kann als Radikalreiniger wirken und löst unter Erzeugung von Wärme die Umwandlung und Zersetzung von Stoffen aus, wenn die chemische Umgebung der Phase 4 den Radikalcharakter unterstützt. Kohlenmonoxid kann auch Wasserstoff (und andere Atome) in bekannter Weise entziehen, wenn es durch die Umgebungsenthalpie zu einem Dreierschalen-Zustand angeregt wird. Von Dreierschalen mit ungepaarten Elektronen weiß man, daß sie sich wie eine offene Schale oder freie Radikale verhalten.
  • Das Grundkonzept wird im folgenden nochmal dargelegt. Durch Bereitstellung einer Reaktionsumgebung, der es an Sauerstoff mangelt, unmittelbar über und in Kontakt mit der Schmelze/Gas-Grenzfläche (Phase n) führt die Zufuhr von Wasser und anderen, wasserstoffhaltigen Quellen in das Bad zur Bildung von einatomigen Wasserstoff- und Sauerstoffatomen (H und O) und Hydroxylradikalen in der Phase n. Diese reaktiven Stoffe, die in der Flüssigphase erzeugt werden, wandern schnell aus der Phase n-1 und leiten die Zersetzung organischer Stoffe ein, die durch die Phase n strömen. Wir bevorzugen, eine chemische Umgebung aus angeregten Atomen und Radikalen aufrechtzuerhalten, die dazu dienen, endständige Atome, z. B. Wasserstoff, zu entziehen oder im gewählten Material eine homolytische Spaltung der Bindung zu bewirken. Die Verbreitung von neuen freien Radikalen durch Entzug und Spaltung erhöht die Verbreitung neuer freier Radikale, die sich mit dem Disauerstoff verbinden können und so die Umwandlungsreaktionen unterstützen. Von Sauerstoffatomen ist auch bekannt, daß sie sich in kovalente chemische Bindungen in Materialien einfügen und dabei eine Wärme erzeugen, die der Energie beim Zerfall von kovalenten C-O, H-O, N-O usw. Bindungen entspricht.

Claims (12)

1. Verfahren zur katalytischen Umwandlung von kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial zu atomarem Kohlenstoff und zur Oxidation des atomaren Kohlenstoffes zur Bildung von Kohlenstoffoxid in einem Bad von geschmolzenem Metall, das die folgenden Schritte umfaßt:
a) Einleiten des kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterials in ein Bad aus geschmolzenem Metall mit
1) einer ersten Phase aus geschmolzenem Metall, die ein Metall enthält oder daraus besteht, das unter den Schmelzbad-Bedingungen eine freie Oxidationsenergie besitzt, welche größer ist als die der Oxidation von atomarem Kohlenstoff zur Bildung von Kohlenstoffmonoxid, und wobei diese Phase eine signifikante Löslichkeit für atomaren Kohlenstoff hat; und
2) einer zweiten Phase aus geschmolzenem Metall, welche in der ersten Phase im wesentlichen unlöslich ist, wobei die zweite Phase ein Metall enthält oder daraus besteht, das unter den Schmelzbad-Bedingungen eine freie Oxidationsenergie besitzt, welche größer ist als die der Oxidation von Kohlenstoffmonoxid zur Bildung von Kohlenstoffdioxid, und worin die Löslichkeit des atomaren Kohlenstoffs signifikant niedriger ist als in der ersten Phase,
wobei das Bad aus geschmolzenem Metall Kohlenstoff in dem kohlenstoffhaltigem Einsatzmaterial katalytisch zu atomarem Kohlenstoff umwandelt und wobei der atomare Kohlenstoff, der in der zweiten Phase gebildet wird, in die erste Phase einwandert; und
b) Sauerstoff in das Bad aus geschmolzenem Metall eingeleitet wird, wobei atomarer Kohlenstoff in der ersten Phase zur Bildung von Kohlenstoffmonoxid oxidiert wird und wobei das Kohlenstoffmonoxid in die zweite Phase einwandert, wo Kohlenstoffmonoxid zur Bildung von Kohlenstoffdioxid oxidiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Phase Eisen enthält oder daraus besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin enthaltend eine Glasschicht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Löslichkeit von Kohlenstoffmonoxid in der Glasschicht geringer ist als die Löslichkeit des ersten Schmelzmetalls.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Glasschicht eine niedrigere thermische Leitfähigkeit als das erste Schmelzmetall und das zweite Schmelzmetall hat.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial in dem Bad aus geschmolzenem Metall Bedingungen ausgesetzt wird, welche ausreichen, um die katalytische Umwandlung von im wesentlichen allen atomaren Bestandteilen aus dem kohlenstoffhaltigen Einsatzmaterial zu bewirken, wobei die atomaren Bestandteile zu freien Radikalen umgesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Kohlenstoffmonoxid und das Kohlenstoffdioxid, gebildet aus dem Kohlenstoff, ausreichend Wärme erzeugen, um das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial der ersten Schmelzmetallphase und der zweiten Schmelzmetallphase auszusetzen, um das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial katalytisch zu atomaren freien Radikalen umzuwandeln, einschließlich atomaren Kohlenstoff.
8. Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend das Einleiten von Sauerstoff über der Glasschicht in einer Menge, welche ausreicht, um freie Radikale im wesentlichen zu oxidieren, welche das Bad aus geschmolzenem Metall verlassen und eine Gasphase über der Glasschicht ausbilden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das System in einem Behälter angeordnet ist und worin das kohlenstoffhaltige Einsatzmaterial dem System an der Glasschicht zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, worin Sauerstoff durch einen Bodenbereich des Behälters eingeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, worin das erste Schmelzmetall eine erste Schicht bildet und worin das zweite Schmelzmetall eine zweite Schicht bildet, welche der ersten Schicht benachbart und über der ersten Schicht gelegen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, worin der Sauerstoff, welcher dem System durch den Bodenbereich des Behälters zugeführt wird, in die erste Schicht gerichtet wird.
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