專利名稱：從基質中分離成分的設備的制作方法
自20世紀50年代早期以來，美國國防部(DOD)和美國能源部(DOE)的許多機構積極開發并制造了含各種放射性物質的核武器和核能部件。提煉核物質的過程和凈化這些過程中所用各種設備以及其它伴有各種有機和無機物質的過程已產生了成百上千噸土壤、淤渣、有機物殘渣或被放射性核素和各種有害和無害的有機和無機化學成分所沾污的其它殘積物。美國環境保護局(EPA)已經將包括放射性核素、有害或無害廢棄物成分的廢棄物定義為混和廢棄物。
歷史上，混和廢棄物通常被原地存放在事先設計好的污染物區域中的容器內，或存儲容器中，或處理到填埋池或地溝中。已經不再允許在DOD和DOE填埋池或地溝中處理混和廢棄物。由于EPA規章的頒布，已經不允許在EPA批準的有害廢棄物工廠或放射性廢棄物工廠內對混和廢棄物進行處理，除非成分相互被分離或分開。
鑒于為了輕工業、商業或房地產業的再發展而使全國許多DOE和DOD工廠被停產并凈化，由于DOE和DOD現正經歷重要調整，因此挽救這些場所中混和廢棄物的需求正在增加。大部分這些工廠含有土壤、淤渣或其它殘渣，這些物質被EPA定義為混和廢棄物。綜合這些問題，已埋入地溝和填埋池的混和廢棄物已經對這些地區存留的地下水產生重大影響。根據EPA規章這些地區必需得到挽救，EAP規章包含了對污染源物質(非液體基質)進行處理和挽救的大多數情況。
本發明公開了一種方法，該方法能夠將有害和無害的有機和無機成分從非液體基質中分離出來，且不會破壞放射性核素的穩定性或將其散布開來。分離后，放射性廢物既可依照EPA規章在DOE或DOD工廠內處理，也可在EPA批準的放射性廢棄物工廠處理。以這種方式處理廢物能獲得很好的經濟效益。目前還沒有完全可行的方法以成本有效方式合乎環境要求地實施這些廢物的分離。
除混和廢棄物之外，僅美國自己每年產生的有害和非有害(化學污染)廢棄物估計可達上百個幾百萬公噸的范圍。全世界工業依賴于生產常規廢棄產物的制造過程。這些廢棄產物大量作為有害廢棄物處理，這非常昂貴。這就需要通過將污染物從各種基質中分離出來而回收這些廢棄物，以便重新利用某些原材料。這將使工業減少其產生的廢棄物，降低運行成本，并遵守現行規章。
由各種化學成分對公眾健康和環境造成的危害已經公知并得到證實。破壞并分解高沸點有害廢棄物的各種方法都非常昂貴。當成分本身按重量計算僅占體積的很小部分時，利用高級能量用熱的方法破壞整個有害廢棄物的成本性能非常不合算。此外，因為非液態基質由于與化合物相接觸而受到污染，所以如果可能這些基質應得到重新利用或循環使用。對于被有害廢棄物所污染的基質，通過分離通常占廢物體積75％到90％的龐大非液態基質來減少需要昂貴破壞或分解方法處理的廢物，其成本效能是比較合算的，其中所指有害廢棄物例如PCBs、殺蟲劑、除草劑、PCPs、二噁英、呋喃等等。
因此，本發明提供一種經濟的減少廢棄物和資源重復利用的方法，以作為當前領域響應市場對能以合乎環境要求并節省成本方式較好地處理工業生產過程中的廢棄物、混合廢棄物以及有害廢物流技術需求的選擇方案。O’Ham(美國專利5127343，在此通過參考而結合其全部內容)教導了一種設備和方法，其使用分批處理法凈化并清潔土壤，特別是含有例如為汽油、石油等石油烴的土壤，在該處理過程中土壤是穩定的。該處理過程是為響應來自汽車加油站和其它相關石油產品用戶對石油烴污染土壤現場處理技術的巨大市場需求、響應《有害物質的地下存貯法案》的規章要求及相關規章(它要求挽救被石油烴污染的土壤)而特別設計的。
先有技術還沒有在基質裝料和卸料過程中控制粉塵的方法。通常利用裝載機將土壤從儲料堆輸送到處理設備。在該過程中污染物由于漏泄以及風吹動粉塵會散布開來。工作人員和可能的旁觀者、或附近公眾都很可能暴露于污染物以及污染物對周圍環境的不可控釋放。先有技術需要20％或更多時間的停工期來維護處理器。土壤直接被置入由過濾介質(礫石)所包圍的篩網(真空管)上的處理單元中。篩網容易被堵，這需要時常在每批之間進行清理。進料門較低，以便能使裝載機前端進入腔體、放置要處理的土壤、并升高以產生軌道，使加熱器承載器滾動到處理腔體頂部。進料門鉸鏈被基質和過濾介質所阻塞，因此它們在每批處理后必需得到清理。這些門由于該過程而容易被損壞，并由于土壤的穿過而變得幾乎不可能空氣密封，這導致處理不夠充分。另外，對鉸鏈的損壞導致通道門失去控制。當該情況發生時，加熱器承載器的軌道也失去控制，導致加熱器承載器從位于處理器該端的軌道上落下，使停工期加長。
先有技術在處理過程中不可靠。通過固定床的氣流是不均勻且變化的，導致要處理的基質中存在溫度梯度。由于篩網被阻、礫石和裝料門的不可密封產生空氣旁路。此外，由于真空篩網直接設置在土壤固定床僅約50％表面區域的下方，致使整個土壤不完全處理或產生“冷點”。不均勻加熱導致不充分處理。
先有技術使用了昂貴的過濾介質，這些介質增大了廢棄物堆放并增加了處理成本。
先有技術需要昂貴的批間清理。凈化過程通常不成功。這是由于基質直接安置在處理腔體內。基質被用力壓入設備的進口區域。
先有技術夾帶了粉塵顆粒并將它們沉積在噴射控制系統內，這限制了空氣流動，并引起額外的維護需求。
先有技術僅能處理碳氫化合物。
先有技術僅適于用熱的方法清除碳氫化合物。
對先有技術的評論說明先有技術僅限于從土壤中清除碳氫化合物，而論及經濟、生態和安全問題，它就不適于處理各種揮發性的有機和無機化合物和高沸點化合物。
因此，就需要一種經濟并有利于環境的方法從非液態基質中分離出揮發性的有機和無機污染物，并收集這些污染物以便進行再循環或再利用。也需要一種系統執行經凈化的非液態基質的再利用。該方法通過提供有利于生態的方案以較經濟的方式減少廢物流而產生社會效益。
本發明提供了一種從基質中分離廢棄物成分的設備，它包括具有底部和頂部的容器，其中頂部具有排除氣體的管道；以及加熱所述容器內部的裝置，該裝置優選地位于所述設備底部。優選地，該設備進一步包括可拆卸的塔盤，優選為1到4個塔盤。該設備可固定安裝，優選為可移動安裝。在優選實施例中，該設備進一步包括通過管道抽吸氣體產生真空的裝置，其真空范圍優選為從0英寸汞柱到29英寸汞柱。
在優選實施例中，容器為矩形，它包括一到四個側面，一個或多個塔盤的側面實際上通過塔盤插入容器底部或底座而構成容器側面。根據優選實施例，容器沒有任何側面。塔盤優選包括具有小孔的底部，以便使塔盤在底部支撐基質的同時還能使空氣向上穿過小孔和基質。例如，該底部可以是濾網或開有槽。
設備尺寸可以變化，這依賴于以下因素要處理的基質量，處理場所的地點，或處理單元是設計成固定在場所內還是可移動的，在一個實施例中，塔盤具有(標準)尺寸、形狀和容量，這樣就可用叉車將它們移動并裝入容器中。通常，對于大型操作，將塔盤設計成能從頂部裝入基質，該塔盤具有至少約2.5立方碼的裝載容量。塔盤還包括位于鏟車叉槽對立端的鉸接閘門，其用于卸載處理后的基質。在另一個實施例中，設備適于小規模使用，例如，其中塔盤具有約1立方碼的容量。
根據一個實施例，設備進一步包括用于機械攪拌基質的裝置。該設備進一步包括導入化學處理助劑的裝置。
在進一步實施例中，頂部或管道底表面包括高溫硅或其它耐熱襯墊，以便將塔盤封接到頂部或管道上，這樣空氣直接進入塔盤和塔盤內所含的基質，而不會進入塔盤周邊區域。根據一個實施例，頂部可豎直移動。在另一個實施例中，管道可選擇地包括1到100微米的干燥過濾介質，該介質能物理地分離吹掃氣空氣流中所夾帶的基質顆粒。
設備還可進一步包括遠程監控所述設備運行狀態的裝置，該裝置包括控制器系統和向計算機傳送信息的變送器。
本發明進一步提供了一種從基質中分離有害和無害的有機和無機廢棄物成分的方法，它包括將基質裝入容器；加熱基質；通過在基質上方形成真空而在基質內產生負壓；以及將氣體成分從基質中排出。基質選自放射性物質、工業生產廢棄物流、土壤、淤渣、活性碳、催化劑、凝聚體、生物體、有機物殘渣、吸附劑、鉆井泥、巖屑等物質。例如，成分沸點的范圍可從約30華氏度到約1600華氏度。被清除成分的例子包括氨、汞、汞化合物、氰化物、氰化物的化合物、砷、砷的化合物、硒、硒的化合物以及其它金屬及它們的鹽。
根據一個實施例，在從基質中分離成分的過程中不再通過熱方法破壞或燃燒成分。該方法包括通過對成分的冷凝或物理過濾或吸附處理而產生由基質分離出來的成分的可逆相變。在一個實施例中，當達到成分解吸溫度后成分僅在基質中保留不到0.5秒的時間。
該方法可包括通過將基質暴露于由0.2和14微米間的發射光譜產生的光能中，從而以間接方式加熱基質。在一個實施例中，暴露于紅外能中的基質表面成為二次發射體，吹掃空氣將熱量對流地傳遞給裝載塔盤的基質表面。在另一個實施例中，暴露于光能的基質表面成為發射體，并將熱量傳導地傳遞給位于暴露于光能的基質表面上方的基質層。該方法進一步包括通過對流方式加熱基質，借此將熱量傳遞給位于基質底表面上方的基質層。
在一個具體實施例中，有機化合物從包含放射性核素和無機金屬成分的基質中分離出來。該成分經過回收和提純以便再循環使用。該方法進一步包括排出氣體蒸氣和要被冷凝并收集的成分的裝置。在進一步實施例中，排出的氣流在塔盤下方再循環，以形成基本封閉的循環系統。
圖1是本發明設備的側視圖。
圖2表示攪拌器塔盤的俯視圖、仰視圖和側視圖。
圖3表示實施本發明的過程中使用的固定或可拆卸塔盤的幾個視圖。
本發明涉及從各種基質中分離有害和無害的有機和無機成分的方法。具體涉及利用一個或多個以下原理從基質中分離這些各種成分的方法，這些原理是低溫熱解吸、輻射能、對流加熱、傳導加熱、空氣抽提、真空蒸餾、減壓蒸發和通過加入化學助劑進行的化學蒸發等等。更具體地說，本發明涉及挽救各種基質的方法，處理的主要效果是減少廢棄物和資源再循環利用的好處。優選地，本發明涉及挽救以下廢棄物流領域的方法(1)從放射性核素污染的基質中分離有害和無害的有機和無機化學成分而不會散布或破壞放射性核素污染物的穩定性，在從工業產生廢棄物流中分離原材料、有害和無害的有機和無機化學成分；以及(2)從各種基質中分離有害和無害的有機和無機化學成分，這些基質包括但不限于淤渣、土壤、活性碳、催化劑、凝聚體、生物體、有機物殘渣等。
基質成分分離器(MCS)提供了一種可控氣流分配器，這正是先有技術所缺乏的。基質成分分離器(MCS)能使通過固定或攪拌器塔盤中容納的基質的氣流和熱量吸入平均分布，以便保證整個基質體積內所包含的成分能完全解吸。對于揮發性和半揮發性的有機和揮發性無機化合物的解吸，處理腔體內移動部分的省略提供了對設備很低的維護保養要求，并由此提高了產量并增加了相關經濟效益。
只要想要的話，該方法能使所有有害和無害的有機和無機化學成分從放射性污染基質中得到完全解吸、分離和收集，而不會散布所夾帶的放射性核素，或破壞其穩定性。
由于顯著減少了需要進一步處理的廢棄物的體積，基質成分分離器為有害成分的再循環、再利用、經濟處理或進一步處理提供回收有害和有害的有機和無機化學成分和基質的高效率、成本節省的分離方法。
本處理設備的設計使經濟效益最大化，并最大限度地利用系統中產生輻射能的燃料。由于該過程在處理過程中不使用任何輔助燃料從基質中解吸化合物、或冷凝并收集從基質中解吸而產生的揮發成分，因此該處理過程的效率也比較高。
全部過程使廢物流的體積和質量顯著并合乎需要地減少，然后以一定的經濟效益再循環、再利用該廢物，或以非常低的成本處置或處理該廢物。由于本發明的方法提能從污染基質(包括基質自身)中分離、挽救、收集、純化并回收工業品，因此通過本發明的方法能使向大氣中發散或被填埋的化學污染物體積大量減少。
先有技術涉及從頂部加熱物質并向下將空氣壓入物質。該措施同物理定律相矛盾，并妨礙了處理過程。在先有技術中，由于從系統下方抽取空氣，因此不能從加熱器捕獲對流熱。可觀察到大部分對流熱從過程頂部升起并跑掉。MCS從底部加熱土壤，熱源(能量)充分排出，存在于整個系統的加熱空氣穿過基質。該過程效率高，并由于熱量自然升起，所以不需要反向力驅動空氣通過基質。上方的空氣流動不會壓縮或壓實基質，這有利于大氣流過基質。先有技術使基質被壓實，這妨礙了空氣流過系統和處理效率。
由于將MCS工藝單元運輸到要處理地點的成本要遠低于將基質運輸到處理場所并運回作為回填或再利用或處理這些基質場所的成本，因此MCS優選為便攜式的。
該方法優選由以下步驟構成將基質裝入底層有篩網的塔盤，其中該些塔盤被機械地安裝在加熱支架中，加熱支架具有反射底層、三個豎直側面和頂部朝向大氣的開口；通過在容器頂部形成經過通常為松散壓縮基質的上升氣流而形成真空或至少部分真空；從底部加熱基質，并向上向后抽取熱氣體或混雜氣體；釋放基質中的污染蒸氣，并將它們從塔盤和管道機構中排出；如果需要就在空氣噴射控制系統內收集污染蒸氣；最后，將包含處理后基質的塔盤從加熱支架中拆卸下來，并使其以可控制的方式冷卻，同時處理另一套塔盤。一旦塔盤中所含的處理基質已經冷卻，就以可控制的方式在塔盤內對其進行再水化處理。然后將基質從塔盤中清理下來，以便減少短時排放或粉塵。
抽取空氣，使其經過系統的底層開口到達離加熱源最遠的點。該空氣流動具有兩個功能(1)抽取經過加熱源的對流熱來加熱未暴露給光能的非液態基質；以及(2)在處理腔體內減小蒸氣壓。其次，壓力的減小降低了從被處理的基質中釋放的污染物的沸點。可通過下面對某一物質已公知的經驗公式表述蒸氣壓/沸點的關系，a和b值為已知，其中p＝毫米汞柱壓力；T＝溫度(開氏度數)；a和b為CRC化學和物理手冊，69版，(1988)從D-212頁開始中給出的常數。
Log10p＝0.05223a/T+b。
這就能在低溫下除去高沸點污染物。加熱系統所需的能量僅為其它熱處理系統所需能量的約四分之一。同樣真空以物理方式產生作用。通過物理抽吸并使空氣充滿被處理的基質，經加熱的空氣將置換當前氣體，并將現有氣體吹掃出處理塔盤，這將增加系統效率。
在本發明中，將各種廢棄物基質裝到在塔盤內，并安裝到加熱座上，風扇從系統抽取空氣，對遍布在具有篩網的塔盤底部上的基質產生作用。啟動加熱器，均勻并充分地加熱小于1英寸到超過3英尺深度內的基質。通常，被加熱的基質深度在4英寸與18英寸之間的范圍內。本領域技術人員能容易地確定加熱有效深度，該有效深度受到例如加熱源、基質物理特性等因素影響。從基質下方所有位置進入過程的外界空氣也被加熱，并從上方被抽取，空氣穿過基質，同時將熱量帶到上層基質。加熱與減壓的結合將污染物從基質中分離出來，氣流抽吸了從處理過程中分離的污染物進入噴射控制或收集系統。可攪拌基質，如果想要，處理過程實質上可以無需加熱。
該系統是用于從各種固態和半固態基質中分離有害和無害的有機和無機化學成分的批處理過程。這些基質包括但不限于放射性污染基質、工業生產廢物、土壤、淤渣、活性碳、催化劑、凝聚體、生物體、有機物殘渣等。通過加熱塔盤中的基質，同時吹掃大量空氣或氣體并使其穿過基質，從而將化學成分從基質中分離出來。吹掃氣流流過一系列非破壞性排出物控制部件，該部件能通過物理分離、冷凝和吸收將化學成分從空氣流中分離出來。在一個優選實施例中，本發明包括但不僅限于以下部分干燥微粒過濾器冷凝系統HEPA過濾器碳吸附液體洗滌器反滲透化學沉淀物理相分離聚結過濾器可參照以下附圖標記描述本發明的設備圖21.軸支撐梁，它容納了軸承和軸，軸并與基質混和螺旋片相連。
2.開有槽的篩網塔盤底部，它容納處理過程中的污染基質。
3.混和螺旋片，它能穿過塔盤內容納的基質運動，以在處理過程中促進基質混和。
4.液壓馬達，用于驅動混和螺旋片。
5.從動鏈輪，它能降低動力要求并驅動螺旋片。
6.主動鏈，它將從動鏈輪連接到主鏈輪。
7.主鏈輪，它與液壓馬達相配合，用于驅動混和螺旋片。
8.保護罩，使液壓馬達能避開惡劣環境。
9.液壓馬達，用于驅動混和螺旋片。
10.鏈輪，它與馬達配合，用于驅動混和螺旋片。
11.主動鏈，用于連接將從動鏈輪連接到主鏈輪。
12.從動鏈輪，它能降低動力要求，并驅動螺旋片。
13.開有槽的篩網塔盤底部，它容納處理過程中的污染基質。
14.攪拌器塔盤，用于在加入化學助劑之前、之中和之后處理基質，以便處理某種無機污染物。
15.混和螺旋片，它能穿過塔盤內容納的基質移動，以便在處理過程中促進基質混和。
16.高溫支承軸承，它使從動軸轉動。
17.中央主動軸，其中安裝了螺旋片。
圖318.開有槽的篩網塔盤底部，它容納處理過程中的污染基質。
19.卸料門鉸鏈，用于基質經處理后清除基質。
20.卸料門的門，它能打開，以便卸出基質。
21.卸料門插銷，它能防止門在處理過程中打開。
22.插入槽，能使鏟車移動、裝料、卸料并卸下塔盤。
23.卸料門插銷，防止門在處理過程中打開。
24.卸料門鉸鏈，用于基質經處理后清除基質。
25.鏟車采集槽，能使鏟車移動、裝料、卸料并卸下塔盤。
26.開有槽的篩網塔盤底部，它容納處理過程中的污染基質。
27.底部篩網支撐體，用于支撐裝入塔盤的基質重量。
28.鏟車插入槽，能使鏟車移動、裝料、卸料并卸下塔盤。
28a.鏟車插入槽，能使鏟車移動、裝料、卸料并卸下塔盤。
圖11.過程燃燒器2.輻射爐管輻射器31.燃燒排氣孔32.加熱器座設備33.高溫硅墊襯材料，它能將排氣管道密封到塔盤頂部邊緣。
34. 1到100微米的過濾器介質和支撐機構，該支撐機構作為物理阻擋層防止顆粒隨氣流進入系統。
35.空氣抽吸管道。
36.液壓缸，用以升起排氣管道。
37.排氣口。
38.土壤處理塔盤從各種成分中回收化合物，用于提純、進一步處理、處置或再循環，且不會破壞化學成分。最后排出的氣流既可以沒有化學成分，也可以含有極微量的化學成分。該過程可用于從放射性污染固體中分離化學成分，且不會使放射性核素與化學成分混和在一起。
在優選實施例中，本發明包括包含了多個加熱器的底座，加熱器優選為紅外加熱器，加熱器安裝在基質下方，并設置在便攜式加熱器機構中，這些加熱器向上直接對著基質下表面。對于大多數應用，該設備還具有加熱器底座，它被固定地安裝到管道機構上。抽取鼓風機或真空泵提供使污染物通過基質向上運動的動力，污染物通過抽取鼓風機或真空泵排出，或如果想要可在空氣排放控制系統內收集污染物。通過液壓缸與該底座相連的是真空或排氣管道。管道底表面被耐熱襯墊材料所襯墊。利用液壓方式將管道升高，以便將底部篩選基質的塔盤裝到加熱底座上，或將其從加熱底座上卸下。一旦裝上管道，上部管道降低，并封接到塔盤頂層邊緣。這就使空氣能穿過基質和塔盤被抽取上來，而空氣不會散布到基質和塔盤周圍。
優選設備由五個主要部件構成管道；處理塔盤；加熱座；氣體吹掃風扇；以及噴射控制系統。在一個優選實施例中，塔盤尺寸通常約為8英寸×8英寸×17英寸，塔盤包括有槽的平面不銹鋼篩網。將廢棄物基質裝入篩網塔盤，將塔盤安置到加熱器座上。
加熱器通常由1到4個或更多的塔盤插孔組成，并具有安裝加熱器的支架，在加熱器座和管道之間有足夠空間來插入塔盤。塔盤可升高降低以便幫助塔盤的裝入和拆卸操作。一旦裝入塔盤，并使管道降低，抽取風扇迫使吹掃空氣通過基質，同時加熱器輻射照射土壤。
基質表面被加熱，吹掃氣流穿過基質，同時將暴露于光能的基質表面層的熱量對流地傳遞給位于塔盤較深處的基質物質。塔盤內也發生傳導熱傳遞，其中基質顆粒與那些暴露給光能的顆粒以及那些已被對流加熱的顆粒相接觸。吹掃氣流使平衡狀態發生改變，其中汽化狀態得到增強。基質中的化合物存在于固體、液體和蒸氣的平衡態中。熱移動了平衡從而產生更多的蒸氣。這些蒸氣由于吹掃空氣蒸氣的產生而被置換并被送出系統，因此當系統試圖達到平衡狀態時汽化狀態得到進一步增強。
基質組分分離器為將塔盤安裝到儲存區域作好準備，以可控制方式將整個包含基質和污染物的塔盤搬運到處理單元內，這不會散布污染物或釋放短時排放。該新過程也消除了工人進入處理單元清除基質、用過的豆礫石過濾介質和真空管的需要。這顯著減少了由于在具有重型材料的極熱環境中工作而引起的與暴露給污染物蒸氣和熱應力、燒傷和令人不快有關的健康和安全問題。
MCS工藝過程能使以篩網為底的塔盤安裝到支架上，同時消除了篩網阻塞、過濾介質被吸入門的問題和相關的維護保養停工期。由于該原因，MCS工藝過程完全沒有停工期。對于具體塔盤上的篩網也需要一些維護保養，當其它塔盤在處理時可完成這些維護。而在以前的技術中，維護處理器導致產量損失。MCS工藝器中固定床的表面區域可整個設置在篩網上面，使其得到100％的覆蓋。
MCS方法省去了裝料門、促使空氣均勻流過介質以及均勻處理。消除了對昂貴過濾介質的需求，降低了處理成本并減少了進行處置的殘余廢棄物。在MCS中，由于基質不會與處理裝置接觸，因此消除了所有這些問題。
在MCS工藝中，5到10微米的物理阻擋層防止污染物和顆粒夾帶和遷移到噴射控制部件內。這有助于簡單而有效的凈化。
MCS工藝裝配有機械攪拌器，以便能通過混合和通過添加化合物而使用化學方法處理基質，其中添加劑用于蒸發或汽化污染物，該污染物是從塔盤中提取并在噴射控制系統內收集的。
MCS工藝可供處理后廢棄物的可控再水化使用，以便控制粉塵并準備基質再使用。這在先有技術中是不能實現的。由于在其它塔盤經受處理時實施塔盤水化過程，因此產量不會受到影響。對于先有技術，水化不得不在處理腔體內進行，這樣就不可能增加產量。此外腔體內水化過程導致水在腔體中蓄積，這將影響(增加)下一批的處理時間，從而影響產量。
這樣配置的MCS工藝能夠利用傳感器和熱電偶監控基質溫度、空氣流動、壓力和處理噴射控制部件。這能使操作者精確地控制處理過程。先有技術缺少這些控制，且不能可行地用在基質污染物容器中。過程控制的使用也減少了運行系統所需的工人數量，由此減少了潛在受到的健康和安全有害。這些優點將使系統更具成本競爭力。
MCS工藝是比先有技術更為經濟和有效的處理設備。
在兩批間裝上和卸下先有技術處理器的方法需要很長的停工期，這直接影響了該技術的生產效率和經濟效益。與先有技術相比MCS方法的處理設計實現了相當大的生產效率和經濟效益，在某種程度上由于裝上和卸下具有基質的處理腔體導致兩批間停工期縮短。
在本系統中所有污染物都轉化成蒸氣并靠壓縮空氣由氣流輸送到噴射控制系統。因為吹掃空氣體積過多，因此使用了一種裝置，該裝置能物理地分離已被夾帶到吹掃氣流中的顆粒。在塔盤襯墊上方的管道內安裝了干燥顆粒過濾器，過濾器具有通常為1到100微米范圍的空隙空間。該物理阻擋板能阻止這些顆粒并將它們從污染蒸氣中分離出來。蒸氣穿過冷凝器，在此蒸氣冷凝為液體。從處理過程的這個階段開始，蒸氣和吹掃氣體空氣經過HEPA過濾器，該過濾器通常設計成能篩選出0.1微米的顆粒。吹掃氣體穿過碳以便進一步凈化。該氣體最終排入大氣或再導入吹掃空氣流程。也可使用滌氣器、階段冷凝器等以達到分離吹掃氣體蒸氣的目的。
為了分離，可機械攪拌塔盤中的基質并可向基質中加入化學助劑以加強處理或將污染物轉化成更多的揮發態。利用螺旋片攪拌漿可實現上述功能，螺旋片攪拌槳能翻動塔盤以便混和基質。利用牽引桿也能實現該功能。
通常，抽氣扇僅能移動驅動系統的機械部分。在一個具體實施例中也可以改進該系統，其中利用攪拌器塔盤來處理某種化學成分。這些塔盤底部可被封住，以便使真空達到從約0英寸到約29英寸汞柱的范圍。這能進一步加強平衡狀態的移動。其結果是，化學成分從基質中分離出來，并在噴射控制系統中被收集，且不會被破壞。
系統與使用塔盤攪拌器和/化學助劑的結合可分離無機和某種有機成分。可用非加熱方式完成這些過程中的一些步驟。例如，如果基質在組成和滲透性方面相似，則將被氰化物的鹽、或有機結合的氰化物所污染的基質裝在靜止塔盤內，如果不相似，則將基質放置在攪拌器塔盤內。硫酸、硝酸、鹽酸或其它酸的加入會產生氰化氫氣體，該氣體從基質中被提取，并穿過堿洗氣器生成氰化鈉，然后收集氰化鈉再循環使用。然后用苛性堿中和基質，使其適于再利用。
通過首先酸化基質然后將其氧化得到基態金屬的方法可以從基質中釋放出汞、砷、硒以及其它過渡元素。氯化亞錫或硫酸鹽的加入將產生氫化物氣體，同時釋放出要被收集并通過酸洗氣器的相關化合物。
用苛性堿提高PH值來除掉基質中的氨，在硼酸中收集這些蒸氣。
機械攪拌器由液壓動力過程構成，該過程可以是位于塔盤底部下方的鏈條傳動。塔盤表面包括兩個螺旋片，該螺旋片騎過篩網底部。螺旋片在中央升高約2英寸，它能在犁過基質的同時抬起物質并混和物質。螺旋片安裝在軸上，該軸伸到塔盤篩網下方。在篩網頂部下方軸具有與之相連的鏈輪。該軸通常位于塔盤中心。液壓馬達軸也貫穿塔盤的篩網底部。AC驅動鏈條連接這兩個鏈輪。當馬達軸轉動時，從動軸轉動推動螺旋片穿過基質。
加熱器座通常包括8到12個輻射加熱爐，加熱爐朝上面向基質。
先有技術具有一系列的凹入腔體，其中插入了圓筒篩，圓筒篩一端與管道相接。要處理的土壤位于腔體底部和篩網上面。凹入區域和篩網很塊就會阻塞。這使土壤不均勻受熱，從而導致不充分和不均勻的處理。塞入篩網的土壤必需要人工清除，這引起了過程停工以及涉及工人健康和安全的問題。
本處理過程不使用一系列具有篩網以及在處理過程中放置基質的凹入腔體。處理腔體與處理塔盤分離。腔體裝備了安裝容納基質的塔盤的支架。塔盤具有自清潔的篩選底部，該篩選底部能自清潔卸料過程中發生的任何阻塞。
液體沸點是物質分壓等于其蒸氣壓時的溫度。在最終處理溫度和系統操作壓力間存在直接關系。當系統運行過程中，隨著壓力減小，通過蒸發方式清除化合物所需的處理溫度也降低。MCS利用了減少系統壓力使沸點降低的原理。系統壓力可從約0英寸汞柱降低到大約1英寸汞柱到30英寸汞柱的范圍。表1表示水、丙酮、TCE和PCE這種關系的例子。
表1降低壓力下化合物的近似沸點
按照真空度英寸汞柱的方式表示真空參照表1，容易看出沸點與系統壓力之間的關系，盡管直接相關，但不是線性關系。用Clausius-Clapyron公式表述該非線性關系等式1 p＝p*×exp-CC＝(ΔHvap)×(1-1)R TT*其中P*為溫度T*時的蒸氣壓(atm.)；p為溫度T時的蒸氣壓(*a)；R為通用氣體常數(BTU/mol-*R)；以及ΔHvap為汽化熱(BTU/1b)為使等式有效作出三個假定1)摩爾體積的改變量等于氣體摩爾體積；2)氣體為理想氣體；以及3)汽化熱的熱函(ΔHvap)不依賴于溫度。對于約25英寸汞柱壓力下幾種化合物，表1將表列數據中的沸點與用Clausius-Clapyron公式計算出的沸點作了比較。
與氣流相關的另一個重要參數為空氣清洗。空氣清洗為利用載氣、空氣從非液態物質中除去污染物的過程。從土壤中清洗污染物的速率取決于蒸氣壓和水中穩定性。利用Henry定律表述該過程，該定律可用下式表示等式2 Pa＝Xa×k(T)其中Pa為成分a的分壓
k為溫度為T時成分a的Henry定律常數Xa為溶液中a的摩爾份數(Xa為少量)因此，在整個過程中都發生每種污染物的解吸，而不是僅在達到每種化合物的沸點時發生解吸。
化合物的汽化過程由兩步化學反應構成，這兩步如下所示。
等式3 C(l)T0熱量C(l)TbpΔHt等式4 C(l)Tbp熱量C(g)TbpΔHv其中C為具有規定沸點(Tbp)的指定(純)化合物C(l)為處于液相并在某一溫度T下的上述化合物C(g)為處于氣相并在某一溫度T下的上述化合物T0為環境溫度Tbp為沸點溫度在第一個反應中，污染物(或化合物)的溫度升高，直到達到沸點。從初始溫度升高到沸點溫度所需的能量取決于熱容量(對于液相)和污染物的量。例如，1磅液相水溫度升高1華氏度需要1BTU的能量。第二個反應表示污染物達到其沸點后溫度保持不變，而液體汽化。汽化熱為從液相到氣相產生相變所需的能量。對于水，汽化熱為950BTU/1b(在212華氏度下)。所需的全部熱量為單個反應熱函的總和或ΔHt加ΔHv的和。
基質中存在三種主要成分1)污染物；2)水；3)基質自身。污染物和水經歷兩步汽化化學反應，而基質僅被加熱。污染物以百萬分之幾(ppm)的濃度存在，水含量范圍為10-20％，其余80-90％為基質。
由于污染物以相對較低的含量存在，因此需要能量輸入的兩個主要部分為水和基質。如上所述，能量用于將水加熱到它的沸點并持續加熱使水汽化，并將系統加熱到最終目標處理溫度。因此，在確定達到目標處理溫度所需的全部能量時，必需考慮基質和水(及它們相應的熱容量)的相對量和取決于最高沸點污染物的最終目標處理溫度。
權利要求
1.一種從基質中分離廢棄物成分的設備，包括容器，具有頂部，所述頂部具有排出氣體的管道；底部；以及加熱所述容器內部的裝置。
2.根據權利要求1所述的設備，進一步包括產生真空以便通過所述管道抽取氣體的裝置。
3.根據權利要求2所述的設備，進一步包括可拆卸塔盤。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述容器進一步包括0到4個側面。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述容器具有0個側面，塔盤插入所述容器實際上構成了容器側面。
6.根據權利要求3所述的設備，其中所述塔盤包括具有小孔的底部，所述底部能支撐基質并使空氣向上穿過基質和小孔。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述底部為篩網。
8.根據權利要求6所述的設備，其中所述底部開有槽。
9.根據權利要求3所述的設備，其中所述塔盤具有一定尺寸、形狀和容量，這樣能利用叉車搬動塔盤并將其裝入容器。
10.根據權利要求3所述的設備，其中所述塔盤從頂部裝載了基質，塔盤具有至少約2.5立方碼的裝載容量。
11.根據權利要求3所述的設備，其中所述塔盤在鏟車叉槽對側端具有用于卸下處理后基質的鉸鏈式門。
12.根據權利要求1所述的設備，進一步包括機械攪拌基質的裝置。
13.根據權利要求1所述的設備，進一步包括加入化學處理助劑的裝置。
14.根據權利要求1所述的設備，其中管道底表面包括高溫硅或其它耐熱襯墊，以便將塔盤封接到管道上，這樣空氣能充分進入塔盤和塔盤中容納的基質，而不會進入塔盤四周。
15.根據權利要求1所述的設備，其中所述管道包括1到100微米的干燥過濾介質，該介質能物理地分離吹掃氣體氣流中夾雜的基質顆粒。
16.根據權利要求1所述的設備，進一步包括遠程監控所述設備運行的裝置，它利用控制器系統和傳感器向計算機傳送信息。
17.根據權利要求3所述的設備，包括1到4個塔盤。
18.根據權利要求1所述的設備，其中所述設備為固定安裝或非固定安裝。
19.根據權利要求1所述的設備，其中所述頂部能豎直移動。
20.一種從基質中分離有害和無害的有機和無機廢棄物成分的方法，包括將基質裝入容器；加熱基質；通過在基質上方形成真空從而在基質內產生負壓；以及從基質中排出氣體成分。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述基質是選自放射性物質、工業生產廢棄物流、土壤、淤渣、活性碳、催化劑、凝聚體、生物體、有機物殘渣、吸附劑、鉆井泥、巖屑。
22.根據權利要求20所述的方法，其中所述成分的沸點范圍從約30華氏度到約1600華氏度。
23.根據權利要求20所述的方法，其中所述成分選自氨、汞、汞化合物、氰化物、氰化物的化合物、砷、砷的化合物、硒、硒的化合物以及其它金屬及它們的鹽。
24.根據權利要求20所述的方法，進一步包括從基質中分離成分，其中成分不會被以熱方式破壞或燃燒。
25.根據權利要求20所述的方法，進一步包括通過對成分的冷凝或物理過濾或吸附使從基質中分離出來的成分發生可逆相變。
26.根據權利要求20所述的方法，其中在達到成分的解吸溫度后成分保留在基質中的時間少于0.5秒。
27.根據權利要求20所述的方法，進一步包括將基質暴露到0.2到14微米的發射光譜光能中，從而以非直接方式加熱基質。
28.根據權利要求20所述的方法，其中暴露于紅外線能的基質表面成為二次發射體，吹掃空氣將熱量對流地傳遞給裝載塔盤的基質表面。
29.根據權利要求20所述的方法，其中暴露于光能的基質表面成為發射體，從而將熱量傳導地傳遞給位于暴露于光能的表面上面的基質層。
30.根據權利要求20所述的方法，其中通過對流方式被加熱的基質將熱量傳遞給基質表面上面的基質層。
31.根據權利要求20所述的方法，進一步包括從含有放射性核素和無機金屬成分的基質中分離有機化合物。
32.根據權利要求20所述的方法，其中所述真空范圍從0英寸汞柱到約29英寸汞柱。
33.根據權利要求20所述的方法，進一步包括回收成分的設備，為循環利用目的對這些成分進行提純。
34.根據權利要求20所述的方法，進一步包括吹掃氣體蒸氣和要被冷凝并收集的成分的裝置。
35.根據權利要求20所述的方法，其中排出的空氣流在塔盤下方再次循環，以便形成基本封閉的循環系統。
全文摘要
本發明提供了一種設備,該設備用于從各種基質中分離有害和無害的有機和無機成分。也提供了一種分離這些成分的方法。
文檔編號B09C1/06GK1342319SQ99814638
公開日2002年3月27日 申請日期1999年11月12日 優先權日1998年11月13日
發明者J·K·奧哈姆 申請人:Ir系統國際公司