減小有機(jī)液體體積的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于減小有機(jī)液體體積的方法。所述方法包括將多孔基質(zhì)材料與有機(jī)液體混合以產(chǎn)生混合物，迫使氧化劑通過所述混合物，以及引發(fā)所述混合物的自維持陰燃。其他實施方式將所述有機(jī)液體或多孔基質(zhì)材料或其混合物聚集在蓄液池例如反應(yīng)容器、氧化塘或基質(zhì)堆中。其他實施方式利用至少一個加熱器來引發(fā)燃燒，并利用至少一個空氣供應(yīng)端口來供應(yīng)氧化劑以引發(fā)并維持燃燒。其他實施方式包括在陰燃之前向聚集物分批添加燃料添加劑，以確保隨后的陰燃是自維持的或具有所需溫度，以減少或去除所述基質(zhì)或有機(jī)液體中的其他污染物例如重金屬或石棉。
【專利說明】減小有機(jī)液體體積的方法
[0001]與相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年9月7日提交的美國臨時專利申請系列號61/531，895和2011年4月29日提交的美國臨時專利申請系列號61/480，852的權(quán)益，二者的全部內(nèi)容通過參考并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及通過陰燃來減小有機(jī)液體體積的方法，更具體來說，本發(fā)明涉及其中將有機(jī)液體聚集在蓄液池內(nèi)的多孔基質(zhì)中的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)有機(jī)液體變成廢棄物時，它們的管理是復(fù)雜的問題，幾乎沒有具成本效益的可選擇方案來降低它們對健康、環(huán)境和美觀的影響。當(dāng)前的管理方法集中于將有機(jī)液體廢棄在填埋場中、在焚化爐中破壞和再循環(huán)。廢棄物綜合管理(IWM)的最新進(jìn)展，已通過壽命周期分析和可持續(xù)廢棄物管理策略的實施，將這些材料的影響降至最低；然而，有機(jī)液體廢棄物管理問題仍有遺留，因為焚化和填埋是目前僅有的實用的可選擇方案。
[0005]污染物水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展顯示，可以使用陰燃來處理被有機(jī)液體污染的地下土壤。這種方法作為用于主動修復(fù)的自維持處理(STAR)技術(shù)在商業(yè)上是可用的，并且是美國專利8，132，978的主題。
[0006]陰燃是無火焰的燃燒形式，從固體或液體燃料在氧化環(huán)境中加熱時在其表面上發(fā)生的反應(yīng)獲得熱量。陰燃反應(yīng)的實例是香煙的陰燃或燃燒聚氨酯泡沫塊。只有當(dāng)燃料加熱速率低于氧化劑擴(kuò)散進(jìn)入燃料的速率時，才能發(fā)生陰燃；因此，陰燃要求氧化劑向燃料表面擴(kuò)散的速率快于將材料氣化所需的熱量增加速率。由于擴(kuò)散過程相對慢，因此，陰燃只有在燃料暴露于氧化劑的表面積非常大的條件下才能發(fā)生(氧化劑夾帶速率=氧化劑擴(kuò)散通量X燃料表面積。這種條件最通常在其中材料的表面與體積比非常大的多孔材料內(nèi)獲得。對于香煙和其他固體有機(jī)材料(例如垃圾、煤渣、聚氨酯泡沫等)的情況來說，煙草既是燃料也是多孔基質(zhì)；然而，對于STAR過程來說，燃料是有機(jī)污染物，多孔基質(zhì)是地下土壤。
[0007]陰燃與有焰燃燒不同。有焰燃燒是利用外部加熱源將濃縮的燃料(液體或固體)氣化產(chǎn)生燃料與氧化劑的氣相混合物，所述氣相混合物在存在進(jìn)一步加熱的條件下可以產(chǎn)生火焰的燃燒過程?；鹧婢哂行〉谋砻娣e與體積比；因此，加熱速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氧化劑擴(kuò)散速率。此外，火焰代表氣相中氣化的油與氧氣之間的反應(yīng)。因此，有焰燃燒發(fā)生在氣相中氣態(tài)燃料與氣態(tài)氧化劑之間，其是均相燃燒反應(yīng)。相反，陰燃在氣相氧化劑擴(kuò)散到濃縮的液體或固體燃料中時發(fā)生在液體/固體燃料表面上；因此該過程是非均相反應(yīng)。
[0008]陰燃需要持續(xù)時間短的能量輸入，并需要添加氧化劑(例如氧氣、空氣、高氯酸鹽)以引發(fā)和維持陰燃反應(yīng)。陰燃是放熱反應(yīng)(凈能量產(chǎn)生)，將碳化合物和氧化劑轉(zhuǎn)變成二氧化碳、水和能量。因此，在通過持續(xù)時間短、輸入低的局部能量燃著后，陰燃反應(yīng)能夠以自維持方式繼續(xù)；例如，在STAR中污染物燃燒所需的熱能主要來自于污染物自身內(nèi)部的固有能量。
[0009]存在多種用于修復(fù)污染土壤的方法，包括使用熱過程，通過吸熱過程(凈能量消耗)例如熱解和揮發(fā)來去除或破壞污染物的一組技術(shù)。STAR與這些其他熱修復(fù)方法相比的優(yōu)勢在于，STAR利用污染物中的固有能量來促進(jìn)它們的破壞，而其他熱修復(fù)方法需要施加到污染土壤的大量熱量/能量的輸入，這往往使這些技術(shù)是無法承受地高成本的。
[0010]當(dāng)前用于處理有機(jī)廢棄物的技術(shù)具有類似的問題——例如，焚化是用于有機(jī)液體的體積減小/破壞的能量密集型技術(shù)，需要連續(xù)的能量輸入。結(jié)果，焚化通常是高成本的處理技術(shù)。
[0011]陰燃傳統(tǒng)上見于固體燃料中，并且已知在煤堆或固體有機(jī)廢棄物堆中自發(fā)進(jìn)行。以香煙為例，這些材料的陰燃需要存在燃料源和多孔基質(zhì)，并且在大多數(shù)情況下，燃料源和多孔基質(zhì)是同一物質(zhì)(例如煙草)。因此，由于缺少多孔基質(zhì)，液體燃料的陰燃長期以來被認(rèn)為是不可能的而不予考慮。一些研究已調(diào)查了液體燃料在多孔基質(zhì)中的燃燒，包括在浸泡在油和其他自燃性液體中的多孔隔熱材料內(nèi)發(fā)生的滯后著火，以及在油層中引發(fā)燃燒前沿以向采油點驅(qū)油的強(qiáng)化采油。然而，使用陰燃作為處理大量有機(jī)液體或?qū)崿F(xiàn)大量有機(jī)液體的體積減小的手段，從未進(jìn)行過。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]如下所述，陰燃只有在燃料源和多孔基質(zhì)存在下才有可能。對于固體有機(jī)廢棄物例如煤堆或垃圾來說，有機(jī)廢棄物起到所述燃料源和多孔基質(zhì)兩者的作用。對于有機(jī)液體的情況來說，必須向有機(jī)液體添加多孔基質(zhì)以產(chǎn)生發(fā)生陰燃反應(yīng)所必需的條件。這可以通過向有機(jī)液體添加反應(yīng)性或惰性材料例如沙，或通過向多孔基質(zhì)的床或堆添加有機(jī)液體來實現(xiàn)。一旦建立這樣的條件后，可以以與STAR過程所描述的類似的方式在有機(jī)液體/多孔基質(zhì)混合物內(nèi)引發(fā)陰燃:將混合物加熱并加入氧化劑以引發(fā)陰燃過程；然后，終止加熱源，但繼續(xù)進(jìn)行氧化劑添加，以便發(fā)生自維持反應(yīng)(即用于陰燃的能源是有機(jī)液體而不是外部源)，引起有機(jī)液體的體積減小。
[0013]本發(fā)明的實施方式利用了下述令人吃驚的發(fā)現(xiàn)，S卩，通過首先將有機(jī)液體聚集在多孔基質(zhì)中，可以使用陰燃來減小任何有機(jī)液體的體積。已知在不存在聚集步驟的情況下，有機(jī)液體或液體燃料不能陰燃，因為它們?nèi)鄙俣嗫坠腆w燃料共有的必要的表面積。
[0014]本發(fā)明依賴于用于處理有機(jī)液體的自維持陰燃的原理。作為有機(jī)液體處理方法，陰燃與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比提供了例如能量需求低、成本低、處理速度更快和處理有效的益處。此外，本發(fā)明優(yōu)于填埋，這是由于陰燃過程將有機(jī)液體主要轉(zhuǎn)化成燃燒氣體，從而不需要獲取并維持高成本的用于儲存有機(jī)液體的土地。具體來說，通過將有機(jī)液體聚集或混合在多孔基質(zhì)中(即“混合物”)，可以使用陰燃來減小有機(jī)液體的體積或破壞有機(jī)液體。將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)混合以產(chǎn)生混合物，迫使氧化劑通過所述混合物，并使用加熱源來引發(fā)陰燃。然后將加熱源去除或終止，同時維持氧化劑進(jìn)料，以便維持通過所述混合物的陰燃反應(yīng)的進(jìn)展。
[0015]在某些有機(jī)液體(例如煤焦油、石油烴等)中，固有的能量通常超過足以使自維持反應(yīng)發(fā)生的能量。一些這種過量能量(即過量熱量)可用于影響有機(jī)液體或其中部分或完全混合有有機(jī)液體的多孔基質(zhì)的二次處理。例如，重金屬是常見的土壤污染物，并通常被發(fā)現(xiàn)存在于有機(jī)液體例如石油烴中。盡管重金屬不是有機(jī)的并且不燃燒，但一些重金屬例如汞是揮發(fā)性的，并且可以通過由自維持陰燃過程產(chǎn)生的過量熱量而從土壤或有機(jī)液體中去除以用于后續(xù)的處理。類似地，已知某些形式的石棉在高于700攝氏度的溫度下變得無毒性；因此，來自于自維持陰燃過程的過量熱量可用于處理含有石棉礦物質(zhì)的土壤和漿液。最后，當(dāng)使用潮濕或含水的土壤作為該過程中的多孔基質(zhì)時，自維持陰燃反應(yīng)的過量熱量可用于干燥土壤。
[0016]相反，某些有機(jī)液體缺乏能夠使自維持反應(yīng)發(fā)生的足夠能量。由于這些化合物是有機(jī)的，它們將燃燒，但是沒有足夠的固有能量，因此，需要外部能量供應(yīng)來維持反應(yīng)。這可以通過分批添加燃料添加劑以提高混合物的固有能量來克服，因此能夠使自維持陰燃繼續(xù)進(jìn)行。即使燃燒反應(yīng)在不添加燃料添加劑時能自維持，添加燃料添加劑以影響陰燃反應(yīng)的特性(例如溫度)，也可能是有益的。
[0017]在本發(fā)明的某些實施方式中，陰燃過程不需使用陶瓷、引燃物或啟動燃料來引發(fā)陰燃。此外，也不需要在聚集物主體中產(chǎn)生通道來維持陰燃，正如在固體的陰燃中可能需要的。
[0018]在本發(fā)明的第一實施方式中，提供了一種減小有機(jī)液體體積的方法。所述方法包括將多孔基質(zhì)材料與所述液體混合以產(chǎn)生混合物，加熱所述混合物，迫使氧化劑通過所述混合物，引發(fā)并維持所述混合物的自維持陰燃，以及終止所述加熱源，以便引起所述有機(jī)液體的體積減小。在某些實施方式中，維持所述反應(yīng)條件以便使所述陰燃從燃著點蔓延開來并通過所述混合物。
[0019]在特定實施方式中，在體積減小之前將所述有機(jī)液體聚集。這些實施方式的方法還包括將所述有機(jī)液體聚集在反應(yīng)容器中。其他實施方式還包括將所述有機(jī)液體聚集在包含所述多孔基質(zhì)材料的基質(zhì)堆中。其他實施方式還包括將所述多孔基質(zhì)聚集在有機(jī)液體廢棄物氧化塘中。
[0020]其他實施方式包括將所述混合物連續(xù)進(jìn)料到陰燃區(qū)中。
[0021]在某些實施方式中，混合所述多孔基質(zhì)材料包括將所述有機(jī)液體和多孔材料分批進(jìn)料到容器中。
[0022]其他實施方式包括使用混合工具將所述多孔基質(zhì)材料與所述有機(jī)液體混合以產(chǎn)生所述混合物。在特定實施方式中，所述混合工具包括旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片。
[0023]在本發(fā)明的另一種實施方式中，提供了 一種減小有機(jī)液體體積的方法，其中將所述多孔基質(zhì)材料與所述有機(jī)液體混合以產(chǎn)生所述混合物包括形成包含所述多孔基質(zhì)材料的永久性封閉床或半永久性封閉床，以及將所述有機(jī)液體連續(xù)傾倒在所述封閉床中。在本發(fā)明的其他實施方式中，提供了方法，其中將所述多孔基質(zhì)材料與所述有機(jī)液體混合以產(chǎn)生所述混合物包括形成包含所述有機(jī)液體的有機(jī)液體封閉床，以及將所述多孔基質(zhì)材料連續(xù)傾倒在所述有機(jī)液體封閉床中。
[0024]在特定實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括將空氣通過注射端口注入到所述混合物中。在某些實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括將空氣通過多個注射端口注入到所述混合物中。在其他實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括將氧氣通過注射端口注入到所述混合物中。在某些實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括將氧氣通過多個注射端口注入到所述混合物中。在其他實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括將液體氧化劑通過注射端口注入到所述混合物中。在某些實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括將液體氧化劑通過多個注射端口注入到所述混合物中。在某些實施方式中，迫使氧化劑通過所述混合物包括產(chǎn)生真空以將氧化劑吸入通過所述混合物。在其他實施方式中，所述氧化劑在引發(fā)陰燃之前位于所述混合物內(nèi)。
[0025]在某些實施方式中，引發(fā)陰燃包括從多個加熱源中的至少一個向所述混合物施加足以引發(fā)陰燃的時間量的熱量。在特定實施方式中，所述多個加熱源中的至少一個是在所述混合物外部的對流加熱源。在其他特定實施方式中，所述多個加熱源中的至少一個是位于所述混合物內(nèi)的對流加熱源。在其他實施方式中，所述多個加熱源中的至少一個是與所述混合物直接接觸的內(nèi)部傳導(dǎo)加熱源。在其他實施方式中，所述多個加熱源中的至少一個向所述混合物施加輻射熱。
[0026]在其他實施方式中，引發(fā)陰燃包括從與所述混合物直接接觸的內(nèi)部傳導(dǎo)加熱源向所述混合物施加熱量。在其他實施方式中，引發(fā)陰燃包括從與所述混合物聯(lián)結(jié)的對流加熱源向所述混合物施加熱量。在特定實施方式中，所述對流加熱源在所述混合物外部。在其他實施方式中，所述對流加熱源位于所述混合物內(nèi)。在本發(fā)明的其他實施方式中，引發(fā)陰燃包括向所述混合物施加輻射熱。在本發(fā)明的其他實施方式中，引發(fā)陰燃包括通過燃燒反應(yīng)向所述混合物施加熱量。在本發(fā)明的其他實施方式中，引發(fā)陰燃包括通過放熱化學(xué)反應(yīng)向所述混合物施加熱量。
[0027]在某些實施方式中，在引發(fā)陰燃后終止通往所述混合物的加熱源。在其他實施方式中，在引發(fā)陰燃后終止通往所述混合物的所述多個加熱源中的至少一個。
[0028]在本發(fā)明的另一個實施方式中，用于減小有機(jī)液體體積的方法還包括使用螺旋混合工具將所述多孔基質(zhì)材料與所述有機(jī)液體混合以產(chǎn)生所述混合物，將所述混合物經(jīng)由第一傳送器系統(tǒng)供應(yīng)到所述陰燃區(qū)中，以及經(jīng)由第二傳送器系統(tǒng)去除燃燒產(chǎn)物。
[0029]某些實施方式還包括將所述有機(jī)液體聚集在地平面上。其他實施方式還包括將所述有機(jī)液體聚集在地平面下。
[0030]在特定實施方式中,所述多孔基質(zhì)材料選自沙、土壤、游泥、肥土、填土、鵝卵石、石樂石、碎石、玻璃、陶瓷、沸石、木屑、木炭、煤、鉆屑及其組合。某些實施方式還包括在200攝氏度和2000攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行所述陰燃。其他實施方式還包括迫使空氣以在0.0001厘米/秒和100厘米/秒之間的線速度通過所述混合物。
[0031]本發(fā)明的另一種實施方式還包括在燃燒之前將增補(bǔ)燃料與所述多孔基質(zhì)材料和所述有機(jī)液體混合。
[0032]在某些實施方式中，所述有機(jī)液體是液體。在其他實施方式中，所述有機(jī)液體是污泥。在其他實施方式中，所述有機(jī)液體是漿液。在其他實施方式中，所述有機(jī)液體是乳液。
[0033]在本發(fā)明的另一種實施方式中，提供了 一種減小有機(jī)液體體積的方法，所述方法包括將所述有機(jī)液體聚集在反應(yīng)容器、基質(zhì)堆或氧化塘中以形成聚集物。所述實施方式還包括向所述聚集物添加選自植物油、焦油、化學(xué)氧化劑、鉆探泥漿和石油烴的增補(bǔ)燃料。所述實施方式還包括將選自沙、土壤、淤泥、肥土、填土、鵝卵石、礫石、碎石、玻璃、陶瓷、沸石、木屑、木炭、煤、鉆屑及其組合的多孔基質(zhì)材料與所述有機(jī)液體混合以產(chǎn)生混合物，以便能夠自維持陰燃。所述實施方式還包括迫使空氣從至少一個空氣供應(yīng)端口通過所述混合物，以及從至少一個傳導(dǎo)加熱器、對流加熱器或輻射加熱器引發(fā)所述混合物的自維持陰燃，以弓I起所述有機(jī)液體的體積減小。
[0034]總的來說，在每個上述實施方式中，作為減小有機(jī)液體體積的方法，促進(jìn)/維持自維持陰燃是合乎需要的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]通過參考下面的詳細(xì)描述并參考附圖，將會更容易地理解實施方式的上述特征，在所述附圖中:
[0036]圖1是本發(fā)明的實施方式的混合容器和示例性混合工具的橫截面示意圖。
[0037]圖2是含有固定或松散多孔基質(zhì)的混合容器的橫截面示意圖。
[0038]圖3是含有其中添加有基質(zhì)材料的一定量有機(jī)液體的有機(jī)液體氧化塘的橫截面示意圖。
[0039]圖4是向其施加有機(jī)液體材料并進(jìn)行混合的基質(zhì)堆或土壤堆的橫截面示意圖。
[0040]圖5是本發(fā)明的實施方式的有機(jī)液體/多孔基質(zhì)混合物的放大示意圖。
[0041]圖6是包含氧化劑源、空氣供應(yīng)端口和加熱元件的燃燒反應(yīng)容器的橫截面示意圖。
[0042]圖7A是包含有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物，具有多個空氣供應(yīng)端口和加熱元件的有機(jī)液體氧化塘的橫截面示意圖。
[0043]圖7B是包含有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物，具有多個空氣供應(yīng)端口和加熱元件的土壤堆的橫截面示意圖。
[0044]圖8A是包含有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物、氧化劑源和氧化塘內(nèi)的空氣供應(yīng)端口以及可選的加熱元件的有機(jī)液體氧化塘的橫截面示意圖。圖8B是包含有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物、氧化劑源和土壤堆內(nèi)的空氣供應(yīng)端口以及可選的加熱元件的土壤堆的橫截面示意圖。
[0045]圖9是沿著空氣流動方向通過有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物前進(jìn)的燃燒前沿的圖示。
[0046]圖10是反應(yīng)容器的橫截面圖，其中使用傳送器或螺旋鉆裝置將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物的連續(xù)或半連續(xù)供應(yīng)傳送到陰燃反應(yīng)前沿。
[0047]圖11是具有固定或半永久性多孔基質(zhì)的反應(yīng)容器的橫截面示意圖，其中向多孔基質(zhì)材料添加有機(jī)液體的連續(xù)或半連續(xù)供應(yīng)。
[0048]圖12是示出了本發(fā)明實施方式的特定步驟的流程圖。
[0049]圖13是在油/沙混合物的自維持陰燃中溫度隨時間演變的圖。
[0050]圖14是示出了在按照本發(fā)明的方法處理之前和之后，油/沙混合物的Fl和BTEX沸程石油烴、F2-F4沸程石油烴和PAH化合物的濃度的表。
[0051]圖15示出了作為多孔基質(zhì)的單獨(dú)粗沙(A)、處理前沙與油的混合物(C)和處理后的多孔基質(zhì)(B)的照片。
【具體實施方式】
[0052]定義。當(dāng)在本說明書和權(quán)利要求書中使用時，下面的術(shù)語將具有指定的含義，除非上下文另有需要。[0053]術(shù)語“多孔基質(zhì)”是指具有孔(開放空間)的合成或天然固體材料，并且其中固體材料可以是具有孔的單塊或其間具有孔的顆粒狀固體的集合體。適合于包含本發(fā)明實施方式的多孔基質(zhì)的材料的實例包括沙、土壤、淤泥、肥土、填土、鵝卵石、礫石、玻璃珠、木屑、沸石、碎石、陶瓷片或陶瓷珠、木炭、煤、鉆屑及其組合。
[0054]術(shù)語組合物的“陰燃”是指無火焰燃燒的行動或過程；伴有熱和光但是無火焰的快速氧化；燃燒發(fā)生在組合物的表面處(即不像火焰那樣在組合物上的氣相中)，在這種情況下，組合物是有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物。
[0055]術(shù)語“有機(jī)液體”是指能夠作為液體流動或作為粘性物具有塑性的含有有機(jī)碳化合物的有機(jī)材料，并包括部分為液體的材料例如烴類污泥、衆(zhòng)液或乳液。
[0056]“自維持”是指其中不施加外部能量就能在有機(jī)液體中維持陰燃或?qū)㈥幦悸油ㄟ^有機(jī)液體的反應(yīng)條件；也就是說，此時已經(jīng)陰燃的有機(jī)液體產(chǎn)生足夠熱量來將相鄰物質(zhì)的溫度升高至其燃燒點。即使最初需要施加熱量來引發(fā)陰燃，但條件也可能是自維持的。
[0057]術(shù)語“基質(zhì)堆”是指多孔基質(zhì)材料的任何堆、墩或豎直團(tuán)集體或聚集物?；|(zhì)堆可以是永久性或半永久性的。
[0058]術(shù)語“燃著”是指引發(fā)燃燒的過程。
[0059]術(shù)語“傳導(dǎo)加熱”是指通過直接物理接觸轉(zhuǎn)移熱能。
[0060]術(shù)語“對流加熱”是指通過流體的移動轉(zhuǎn)移熱能。
[0061]術(shù)語“輻射加熱”是指通過電磁輻射轉(zhuǎn)移熱能。
[0062]術(shù)語“混合工具”是指在使用時將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)合并或摻混成團(tuán)或混合物的工具。
[0063]有機(jī)液體的“蓄液池”是容器中或地面上的堆中或地平面下洞穴中有機(jī)液體的聚集物。類似地，有機(jī)液體與基質(zhì)的混合物的“蓄液池”是容器中或地面上的堆中或地平面下洞穴中混合物的聚集物。
[0064]陰燃是非均相燃燒反應(yīng)，因為氧化劑(氣體)和燃料(液體或污泥)是不同的相。這與作為在單一(氣體)相中發(fā)生的均相反應(yīng)的有焰燃燒不同。
[0065]在本發(fā)明的實施方式中，多孔基質(zhì)起到捕獲環(huán)境中的有機(jī)液體以促進(jìn)陰燃的支架的作用。陰燃通過系統(tǒng)內(nèi)能量的有效再循環(huán)來維持。首先，將有機(jī)液體燃燒，放出熱能，所述熱能被多孔基質(zhì)保留或吸收。其次，被保留或吸收的熱能從多孔基質(zhì)重新輻射或返回到系統(tǒng)，或通過移動流體(例如氧化劑氣體)轉(zhuǎn)移通過混合物，以預(yù)熱離引發(fā)燃燒過程的空間點較遠(yuǎn)的有機(jī)液體材料。因此，在短時間能量輸入以引發(fā)所述過程之后，陰燃是自維持的(即，它使用燃燒有機(jī)液體的能量以及氧化劑供應(yīng)來維持反應(yīng))，并且能夠從燃著點蔓延開來并進(jìn)入到可燃物質(zhì)中。陰燃是能夠蔓延通過廢棄物/多孔基質(zhì)混合物的唯一的燃燒反應(yīng)類型(即，火焰不能蔓延通過這樣的系統(tǒng))。在自維持過程中，在引發(fā)陰燃后終止加熱源。
[0066]如果滿足下列條件，自維持陰燃過程可以被擴(kuò)展到有機(jī)液體的處理:(1)有機(jī)液體含有足以維持陰燃過程的固有能量(即，它是可燃材料)；(2)將它與多孔基質(zhì)混合以能夠進(jìn)行陰燃過程；(3)提供加熱源以引發(fā)所述過程；(4)提供氧化劑(例如氧氣、空氣、高氯酸鹽)供應(yīng)以引發(fā)和維持所述過程；以及(5)在引發(fā)陰燃后終止所述加熱源。
[0067]自維持陰燃處理方法適用于有機(jī)液體、污泥、漿液或乳液，并且可以在合成或天然的多孔介質(zhì)或顆粒狀固體基質(zhì)中進(jìn)行。在許多應(yīng)用中，預(yù)期廢棄物可能至少部分為液相，例如作為烴類污泥、衆(zhòng)液或乳液。
[0068]自維持陰燃過程對于有機(jī)液體的處理來說具有多種優(yōu)點。其一，該過程的燃燒產(chǎn)物是二氧化碳、一氧化碳、能量和水，因此不需要有機(jī)液體的填埋。其二，該過程是自維持的(即，它使用燃燒有機(jī)液體的能量以及氧化劑供應(yīng)來維持反應(yīng))。因此，陰燃過程避免了像焚化過程中那樣需要連續(xù)添加能量、熱量或燃料。
[0069]圖1示出了本發(fā)明的某些實施方式的混合容器(11)，有機(jī)液體和多孔基質(zhì)被加入到其中。使用混合工具(12)來產(chǎn)生有機(jī)廢棄物與多孔基質(zhì)材料(13)的混合物。在本發(fā)明的特定實施方式中，混合可以在將要在其中引發(fā)陰燃的反應(yīng)容器或蓄液池內(nèi)進(jìn)行。在圖1的特定實施方式中，示出了螺旋混合工具(12)，但是可以使用任何形狀，包括螺旋鉆和槳葉形混合工具。
[0070]混合容器(11)可以是制造的圓柱體或矩形盒(例如不銹鋼壁容器)或箱、挖掘的洞穴、指定的堆或用壁圍出的場地，其中安放有多孔介質(zhì)并在準(zhǔn)備應(yīng)用于陰燃過程時與有機(jī)液體混合。
[0071]多孔介質(zhì)可以是松散或固定的多孔材料(13)。固定的多孔基質(zhì)可以是制造的(例如鋼篩、多孔板等)或天然的(例如火山巖、珊瑚等)材料。松散的多孔基質(zhì)可以是制造的(鋼丸、玻璃珠等)或天然的(例如礫石、沙等)材料。
[0072]混合物的安放可以通過反鏟挖掘機(jī)或挖掘機(jī)人工實現(xiàn)，或通過螺旋傳送器或傳送帶系統(tǒng)自動實現(xiàn)。液體的安放可以通過傾倒、泵送、傳送器或重力進(jìn)料(例如虹吸)來實現(xiàn)。
[0073]任何有機(jī)液體可以通過本文公開的方法來減小體積。所述方法對其特別有效的有機(jī)液體的實例包括烴混合物例如煤焦油和雜酚油、石油烴、鉆探泥漿和廢棄污泥。
[0074]本文中使用的陰燃優(yōu)選地在使其變得自維持的條件下引發(fā)和維持。某些材料可能含有足夠的能量，使得不向廢棄物或混合物添加能量增加物質(zhì)即可引發(fā)并維持陰燃。然而，某些廢棄物質(zhì)在燃著之前可能需要分批添加一種或多種燃料增補(bǔ)物，以確保隨后的陰燃變得自維持，或使隨后的陰燃具有某些特性例如更高的溫度。示例性的燃料增補(bǔ)物包括植物油、焦油、鉆探泥漿和石油烴。
[0075]圖2示出了本發(fā)明的另一種實施方式，其中混合或反應(yīng)容器(21)含有固定或松散的多孔基質(zhì)(22 )，有機(jī)液體(23 )被添加到其中以產(chǎn)生有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物。在其中減小液體或半液體有機(jī)材料的體積的特定實施方式中，當(dāng)有機(jī)液體在基質(zhì)粒子之間滲濾時產(chǎn)生混合物。在其中多孔基質(zhì)是松散的實施方式中，可以使用本文中所描述的混合工具來協(xié)助混合。
[0076]混合工具可以是機(jī)械混合器(12)例如螺旋鉆或螺旋或其他旋轉(zhuǎn)裝置?；旌弦部梢酝ㄟ^振動或旋轉(zhuǎn)(翻轉(zhuǎn))整個容器來實現(xiàn)。通過向容器內(nèi)的多孔介質(zhì)添加液體并允許它由于重力或毛細(xì)作用自然分散，或通過將液體在壓力下注入容器底部，當(dāng)它向容器頂部遷移時填充介質(zhì)的孔眼空間，混合也可以被動實現(xiàn)。有機(jī)液體可以作為通過管道、斜槽或其他排放器的液體流或料流，而被添加到多孔基質(zhì)中。
[0077]混合過程可以以連續(xù)、分批或半分批的過程在用于陰燃過程的相同容器中進(jìn)行，或在獨(dú)立的專用混合容器或裝置中完成。
[0078]松散基質(zhì)材料(22或下面圖3的33)的添加可以通過反鏟挖掘機(jī)或挖掘機(jī)人工實現(xiàn)，或通過螺旋傳送器或傳送帶系統(tǒng)自動實現(xiàn)。[0079]傳送器系統(tǒng)可以是螺旋或帶式傳送器系統(tǒng)，其從混合容器通往反應(yīng)容器并從反應(yīng)容器通往處理的基質(zhì)土壤堆。混合物傳送器可以是螺旋傳送器或其他機(jī)械傳送裝置，或者可以是允許處理過的材料在重力進(jìn)料下通過反應(yīng)容器的釋放機(jī)構(gòu)。
[0080]本發(fā)明的一個方面包括將有機(jī)液體聚集在多孔基質(zhì)中。在本文描述的實施方式中，當(dāng)有機(jī)液體蓄液池在地上容器中時，進(jìn)行聚集。然而，當(dāng)有機(jī)液體在洞穴中的低下(即，低于地表面)蓄液池例如氧化塘或池中時，也可以實踐本發(fā)明的實施方式。圖3示出了其中蓄液池是有機(jī)液體氧化塘(31)的實施方式。氧化塘包含一定體積的半固體或有機(jī)液體(32)，并且在其中加入松散基質(zhì)材料(33)，并使用混合工具(34)進(jìn)行混合以產(chǎn)生有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物。有機(jī)液體氧化塘(31)的實例可以是用于積累并儲存有機(jī)液體
(32)的帶襯或不帶襯的挖掘的洞穴、轉(zhuǎn)化池或天然洼地。應(yīng)該認(rèn)識到，添加次序不是特別重要的。其中首先將氧化塘用多孔基質(zhì)材料填充，然后添加有機(jī)液體，或者當(dāng)多孔基質(zhì)材料是天然填埋土?xí)r，將有機(jī)液體灑在天然土或填土上并滲濾到天然土或填土中的實施方式也是可能的。無論何種方式，混合物在適合比例的地下空間中形成，以允許液體的陰燃和減少。
[0081]其中有機(jī)液體蓄液池在地上的基質(zhì)堆或墩中的其他實施方式是可能的。圖4示出了這樣的實施方式，其中基質(zhì)堆(42)位于地表面(41)上，有機(jī)液體材料(43)被施加到其中?？梢允褂没旌瞎ぞ?44)來循環(huán)有機(jī)液體并產(chǎn)生混合物?；|(zhì)堆可以是獨(dú)立式的，或者可以被支撐在其他結(jié)構(gòu)內(nèi)或由其他結(jié)構(gòu)支撐。例如，可以使用壁來包圍所述堆。
[0082]基質(zhì)堆(42)的實例可以是為建造洼地而被挖掘出的材料堆、作為場地修復(fù)策略的一部分而被挖掘出的污染材料的堆、或顆粒材料的儲備堆。通過加壓或重力進(jìn)料管道、斜槽或排放器將有機(jī)液體傾倒在基質(zhì)堆的表面上，并允許它在重力或外加壓力下滲濾到基質(zhì)堆中，通過耕作機(jī)或鋤頭耕入基質(zhì)堆中，通過反鏟挖掘機(jī)、挖掘機(jī)或土壤混合/鉆探設(shè)備混合，可以將有機(jī)材料施加到基質(zhì)堆或與其混合。
[0083]圖5示出了有機(jī)液體/多孔基質(zhì)混合物，其包括固體粒子(51)和位于多孔基質(zhì)的孔眼空間(53)內(nèi)的有機(jī)液體(52)的連續(xù)或不連續(xù)團(tuán)或中心。將可燃材料包埋在多孔基質(zhì)中具有數(shù)個優(yōu)點。首先，它允許在封閉床中濃縮有機(jī)液體。封閉床的尺寸和體積可以是固定的，以精確控制液體體積減小的量和空間位置。其次，當(dāng)放熱反應(yīng)(即燃燒)釋放足夠能量時，反應(yīng)可以在多孔介質(zhì)中自維持。
[0084]盡管熱量重循環(huán)的原理容易理解，但它的實際應(yīng)用需要平衡許多變量以確保效率、受控的燃燒強(qiáng)度(即為了維持陰燃)并控制污染物排放。需要優(yōu)化的多孔基質(zhì)的具體屬性包括多孔基質(zhì)的粒徑(例如從數(shù)微米至多英寸)、孔徑、滲透率(每秒1x10-5厘米至每秒數(shù)百厘米)和礦物性質(zhì)(例如二氧化硅沙、碳酸鹽沙等)。需要優(yōu)化的有機(jī)液體的具體屬性包括化學(xué)組成(例如碳含量和固有熱能)、粘度(例如I厘沱(centistoke)至數(shù)百厘沱)、密度(例如每立方米200至數(shù)千千克)、揮發(fā)性(例如揮發(fā)、半揮發(fā)、不揮發(fā))和可潤濕性(例如有機(jī)物潤濕或有機(jī)物不潤濕)。需要優(yōu)化的燃燒系統(tǒng)的具體屬性包括預(yù)熱時間(數(shù)分鐘至數(shù)日)、預(yù)加熱強(qiáng)度(一百攝氏度至兩千攝氏度范圍內(nèi)的溫度)、初始氧化劑流速(從每秒數(shù)毫米至每秒數(shù)十厘米)、維持的氧化劑流速(從每秒數(shù)毫米至每秒數(shù)十厘米)、空氣壓力(從環(huán)境空氣壓至每平方英寸數(shù)十磅的空氣壓力)和氧化劑含量(例如空氣至純化的氧氣)。
[0085]在本發(fā)明的實施方式中，已發(fā)現(xiàn)下列多孔基質(zhì)材料與有機(jī)液體形成適合的混合物:沙，土壤，淤泥，肥土，填土，鵝卵石，礫石，陶瓷珠和玻璃珠。這些材料，如果尺寸正確的話，將與有機(jī)液體產(chǎn)生混合物，所述混合物的表面積與體積比使得氧化劑擴(kuò)散速率可能超過加熱速率，并且使得燃燒過程期間產(chǎn)生的足夠熱量被轉(zhuǎn)移并儲存在基質(zhì)材料中，以使儲存在基質(zhì)材料中的熱量可用于協(xié)助有機(jī)液體的進(jìn)一步燃燒。基質(zhì)材料還具有孔眼空間足以接收與其混合的有機(jī)液體的特性，以及適合于通過孔眼空間的空氣流的表面、形狀和分選特性。所述過程在一系列有機(jī)液體與多孔基質(zhì)比率下都可運(yùn)行，但是一般限于有機(jī)液體含量占多孔基質(zhì)孔眼空間的0.01%至100%。
[0086]陰燃的燃著需要加熱源來引發(fā)燃燒并需要氧化劑源來引發(fā)和維持燃燒。圖6示出了含有有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物(62)的燃燒反應(yīng)容器(61)。通過空氣供應(yīng)端口(64)將氧化劑從氧化劑源(63)供應(yīng)到反應(yīng)容器。空氣供應(yīng)端口可以包含進(jìn)入反應(yīng)容器的單個孔隙，或者可以包含置于反應(yīng)容器內(nèi)的具有多個孔隙的集合管。示出了兩種不同的加熱源，其可以被單獨(dú)或組合使用。例如，加熱源(65)可以與供應(yīng)的氧化劑串聯(lián)放置，以向混合物供應(yīng)對流熱量。對流加熱源也可以位于反應(yīng)容器內(nèi)或反應(yīng)容器的壁內(nèi)。此外，可以在反應(yīng)容器內(nèi)放置內(nèi)部加熱源(66)以供應(yīng)用于燃著和維持陰燃的傳導(dǎo)或輻射熱。如圖6中所示，可以將內(nèi)部傳導(dǎo)/輻射加熱源放置成朝向反應(yīng)容器的底部，以蔓延“自下向上”的燃燒前沿。其他傳導(dǎo)加熱源可以被放置在反應(yīng)容器的整個內(nèi)壁中，以在混合物內(nèi)引發(fā)不同水平的燃燒。
[0087]氧化劑源可以是通過管線或管路連接到反應(yīng)容器的具有可調(diào)或不可調(diào)壓力或流速的空氣壓縮機(jī)?？諝夤?yīng)端口可以是一系列或一段具孔管道或開口腔(氣室)，以所需模式在混合物的整個底部上分配氧化劑。加熱元件可以是電力驅(qū)動的纜線型加熱器、電力驅(qū)動的筒形加熱器、輻射管加熱器，其中將丙烷或其他外部燃料源供應(yīng)到內(nèi)部并燃燒。
[0088]空氣供應(yīng)端口可以是豎直或接近豎直地安裝通過基質(zhì)堆或氧化塘的具孔的直接壓入式碳素鋼、不銹鋼或其他材料的桿，碳素鋼、不銹鋼或其他材料的孔，其具有金屬絲繞成的網(wǎng)或長眼篩網(wǎng)。加熱元件可以是安裝或放置在桿或孔內(nèi)、安裝在桿或孔周圍的基質(zhì)堆中的電阻式加熱器或輻射加熱器，或?qū)νㄟ^桿或孔進(jìn)入基質(zhì)堆的空氣進(jìn)行加熱的地上元件。
[0089]在特定實施方式中，氧化劑是作為大氣空氣的組分供應(yīng)的氧。反應(yīng)是可控的，以致終止向反應(yīng)前沿供應(yīng)氧氣會終止反應(yīng)。增加或降低通往反應(yīng)前沿的氧氣通量速率也將分別增加或降低燃燒速率，并因此分別增加或降低反應(yīng)前沿的蔓延速率。
[0090]應(yīng)該認(rèn)識到，可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法來監(jiān)測燃燒，以確定維持陰燃所需的氧氣、空氣或其他氧化劑的量。通常使用熱電偶來監(jiān)測燃燒溫度，所述熱電偶可以被放置在整個待處理材料的體積中。也可以在反應(yīng)容器的出口或有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物的表面處收集燃燒氣體，以對有機(jī)液體物質(zhì)破壞速率和燃燒效率進(jìn)行表征。這樣的方法是用于監(jiān)測包括焚化系統(tǒng)在內(nèi)的許多燃燒過程的慣用做法。
[0091]如圖7中所示，本發(fā)明的實施方式可以利用具有多個空氣供應(yīng)端口和加熱元件的蓄液池。圖7A示出了一種實施方式，其中蓄液池是含有有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物(711)的有機(jī)液體氧化塘?？梢詮穆?lián)結(jié)到空氣供應(yīng)端口(713)的氧化劑源(712)向有機(jī)液體氧化塘或基質(zhì)堆供應(yīng)氧化劑?？諝夤?yīng)端口可以是鉆入到足夠固態(tài)的混合物中的鉆孔?；蛘?，空氣供應(yīng)端口可以是插入到足夠固態(tài)或甚至相對液態(tài)的混合物中的具孔中空軸?？諝夤?yīng)端口可以根據(jù)氧化塘的總體尺寸間隔開，以使氧化劑以足夠的量和足夠的速率遞送到整個氧化塘中，從而促進(jìn)整個氧化塘中的陰燃。類似地，單個或多個對流加熱元件(714)可以與供應(yīng)的空氣串聯(lián)放置，以在氧化塘內(nèi)的多個位點處引發(fā)陰燃。此外或可選地，多個傳導(dǎo)、對流或輻射加熱元件(715)可以位于鉆孔或軸內(nèi)或回填材料內(nèi)，以使它們位于氧化塘內(nèi)部。
[0092]圖7B是其中蓄液池是基質(zhì)堆(721)的實施方式。如上所述，可以使用多個空氣供應(yīng)端口和加熱元件兩者。例如，可以從與空氣供應(yīng)端口(723)聯(lián)結(jié)的氧化劑源(722)向有機(jī)基質(zhì)堆供應(yīng)氧化劑。空氣供應(yīng)端口可以是鉆入到足夠固態(tài)的混合物中的鉆孔，或插入到足夠固態(tài)或甚至相對液態(tài)的混合物中的具孔中空軸?？諝夤?yīng)端口可以根據(jù)堆的總體尺寸間隔開，以使氧化劑以足夠的量和足夠的速率遞送到整個堆中，從而促進(jìn)整個堆中的陰燃。類似地，單個或多個對流加熱元件(724)可以與供應(yīng)的空氣串聯(lián)放置，以在基質(zhì)堆內(nèi)的多個位點處引發(fā)陰燃。此外或可選地，多個傳導(dǎo)、對流或輻射加熱元件(725)可以位于鉆孔或軸內(nèi)或回填材料內(nèi)，以使它們位于基質(zhì)堆內(nèi)部。
[0093]圖8示出了具有空氣供應(yīng)端口和加熱元件的蓄液池的其他實施方式。在圖8A中，示出的有機(jī)液體氧化塘含有有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物(811)。通過氧化塘內(nèi)或其下方的空氣供應(yīng)端口(813)從氧化劑源(812)向有機(jī)液體氧化塘供應(yīng)氧化劑?？諝夤?yīng)端口可以包含進(jìn)入氧化塘的多個進(jìn)入點，或者如圖所示，包含被放置成朝向氧化塘底部的集合管類型的裝置。加熱元件(814)可以與供應(yīng)的氧化劑串聯(lián)放置，或置于氧化塘內(nèi)或其下方。如上所述，可以根據(jù)給定的有機(jī)液體材料所需要的，對加熱元件和空氣供應(yīng)端口的具體位置進(jìn)行優(yōu)化，以促進(jìn)陰燃。
[0094]圖8B是其中蓄液池是基質(zhì)堆的相應(yīng)實施方式。在圖8B中，示出的基質(zhì)堆含有有機(jī)液體與多孔基質(zhì)的混合物(821)。通過堆內(nèi)或其下方的空氣供應(yīng)端口(823)從氧化劑源(822 )向堆供應(yīng)氧化劑。正如對氧化塘實施方式所描述的，空氣供應(yīng)端口的數(shù)種配置是可能的，包括多個輸入口和單個集合管類型的結(jié)構(gòu)。加熱元件(824)可以與供應(yīng)的氧化劑串聯(lián)放置，以提供對流加熱。此外或可選地，可以將傳導(dǎo)、對流或輻射加熱源(825)置于堆內(nèi)或其下方。也可以將較小的各個傳導(dǎo)、對流或輻射加熱源置于堆內(nèi)的多個位置處。
[0095]空氣供應(yīng)端口可以是水平安裝通過基質(zhì)堆或氧化塘的具孔的直接壓入式碳素鋼、不銹鋼或其他材料的桿，碳素鋼、不銹鋼或其他材料的孔，其具有金屬絲繞成的網(wǎng)或長眼篩網(wǎng)。加熱元件可以是安裝或放置在桿或孔內(nèi)、安裝在桿或孔周圍的基質(zhì)堆中的電阻式加熱器或輻射加熱器，或?qū)νㄟ^桿或孔并進(jìn)入基質(zhì)堆的空氣進(jìn)行加熱的地上元件。
[0096]可以對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行設(shè)計，以使燃燒前沿蔓延通過反應(yīng)容器、基質(zhì)氧化塘或基質(zhì)堆?？梢酝ㄟ^加熱和空氣流空間操作，引導(dǎo)燃燒前沿向上或以任何方向側(cè)向前進(jìn)。
[0097]圖9示出了通過有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物(93)的燃燒前沿(92)的前進(jìn)
(91)。在這些實施方式中，燃燒前沿的蔓延沿著空氣流動方向(94)進(jìn)行。當(dāng)燃燒前沿前進(jìn)通過多孔基質(zhì)時，燃燒前沿內(nèi)的有機(jī)液體被燃燒，并且燃燒前沿前方的有機(jī)液體被加熱。在該特定實施方式中，有機(jī)液體的燃燒進(jìn)行得基本上完全，留下其中由于陰燃，有機(jī)液體已經(jīng)歷體積減小的多孔基質(zhì)區(qū)域(95)。
[0098]其他實施方式可以相對于燃燒前沿傳送有機(jī)液體/多孔基質(zhì)。圖10示出了這樣的實施方式的反應(yīng)容器(101)，其中使用第一傳送器或螺旋鉆裝置(102)將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物(103)的連續(xù)或半連續(xù)供應(yīng)傳送到假靜態(tài)陰燃反應(yīng)前沿(104)。通過使用傳送器系統(tǒng)(102)將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的預(yù)混混合物(103)運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)容器，來維持混合物供應(yīng)。通過添加氧化劑(105)來維持陰燃反應(yīng)前沿。可以利用混合或傳送器工具(106)將混合物傳播通過反應(yīng)容器。盡管示出的是螺旋混合工具，但可以使用可選形狀的工具(例如螺旋鉆、槳葉)?；旌瞎ぞ咭部捎糜谑寡趸瘎┭h(huán)通過混合物。在燃燒前沿處，混合物中的有機(jī)液體由于陰燃而被基本上消耗，并實現(xiàn)體積減小(106)。將處理過的多孔基質(zhì)(107)以連續(xù)或半連續(xù)方式從反應(yīng)容器撤出，并作為處理過的多孔基質(zhì)(109)沿著第二傳送器系統(tǒng)(108)運(yùn)輸。
[0099]在其他實施方式中，可以將有機(jī)液體與本身可燃的多孔基質(zhì)(例如木屑)混合。也就是說，在燃燒前沿處整個混合物可能被基本上消耗，僅留下非有機(jī)基質(zhì)殘留物(例如灰)。在這樣的實施方式中，殘留物可以通過如圖10中示出的傳送器或螺旋鉆裝置去除。
[0100]在某些實施方式中，可以使用固定或半永久性多孔基質(zhì)。不是將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)本身混合，這些實施方式允許有機(jī)液體滲濾通過固定或半永久性基質(zhì)的床。然而，在使用半永久性基質(zhì)的特定實施方式中，可以使用混合工具來輔助滲濾。
[0101]圖11示出了使用固定或半永久性多孔基質(zhì)的特定實施方式。示出的反應(yīng)容器
(111)具有固定或半永久性多孔基質(zhì)的床(112)，向其加入有機(jī)液體的連續(xù)或半連續(xù)供應(yīng)(未示出)。在混合物形成后，可以在陰燃反應(yīng)前沿(113)處引發(fā)陰燃。陰燃可以通過置于反應(yīng)容器外部、反應(yīng)容器上或反應(yīng)容器中的與將要引發(fā)陰燃的位置鄰近的對流、傳導(dǎo)或輻射加熱元件來引發(fā)?？梢酝ㄟ^經(jīng)由空氣供應(yīng)端口(115)添加氧化劑(114)來維持陰燃。燃燒前沿沿著空氣流動方向前進(jìn)并通過永久性或半永久性多孔基質(zhì)與有機(jī)液體的混合物。燃燒反應(yīng)前沿(124)的位置由氧化劑添加(123)速率、有機(jī)液體添加速率和有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料的混合物的性質(zhì)以及運(yùn)行參數(shù)(例如空氣流速)來決定。當(dāng)燃燒前沿前進(jìn)時，有機(jī)液體體積減小。燃燒前沿下方是處理過的多孔基質(zhì)(116)。
[0102]圖12是本發(fā)明的實施方式的流程圖。首先，將多孔基質(zhì)與有機(jī)液體混合(131)。如上所述，可以選擇特定的基質(zhì)/液體組合和比率以促進(jìn)特定類型的有機(jī)液體的陰燃。接下來，迫使氧化劑通過混合物(132)。氧化劑的存在允許引發(fā)并維持陰燃(133)。如上所述，可以利用氧化劑的量、流速和其他組分(例如在燃著之前添加的增補(bǔ)燃料)來確保燃燒被維持在陰燃狀態(tài)，并優(yōu)化特定混合物的燃燒。
[0103]實施例1:
[0104]在直徑為138毫米(mm)并且高度為275mm的石英玻璃柱中，進(jìn)行用于處理液體油狀材料(油氣精煉廠廢棄產(chǎn)品)的陰燃試驗。為了準(zhǔn)備污染的材料，以每千克可商購石英砂(#12ST 二氧化娃砂，Bell&Mackenzie C0.Ltd., Hamilton, Canada) 259 克的質(zhì)量比混合油狀材料，所述石英砂的特征在于堆積密度為每立方米1，600千克，平均粒徑為0.88mm，在干燥裝填時平均孔隙度為37%。通過機(jī)械混合將混合物均化，然后裝填在裝置中直至11厘米的厚度。在混合物下方放置由空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的空氣擴(kuò)散器和帶鉻鎳鐵合金護(hù)套的纜線型加熱器(Bluewater Heater Inc., Canada)。將11個帶鉻鎳鐵合金護(hù)套的K型熱電偶沿著柱的中心軸插入到沙堆中，并在纜線型加熱器上方以IOmm的間隔隔開，以追蹤裝置內(nèi)的溫度，并因此追蹤燃燒前沿在蔓延通過混合物時的位置。熱電偶與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(多功能切換/ 測量單兀 34980A, Agilent Technologies)相連。
[0105]在實驗開始時，通過向纜線型加熱器施加電流對混合物進(jìn)行加熱，并以每秒5.0厘米的(Darcy)通量通過空氣擴(kuò)散器啟動空氣流，直至在纜線型加熱器上方2厘米的位置處超過280攝氏度的閾值溫度。這種加熱方法模擬組合的傳導(dǎo)和對流加熱源。然后，將空氣注入增加并維持在每秒9.0厘米的(Darcy)通量，直至實驗結(jié)束。當(dāng)纜線型加熱器上方I厘米位置處的溫度開始隨時間降低時(即峰值后)，關(guān)閉纜線型加熱器，此時為將空氣通量從每秒5.0厘米增加至每秒9.0厘米后約9分鐘。當(dāng)纜線型加熱器上方11厘米(即混合物頂部處)的溫度開始隨時間降低時(即峰值后)，實驗結(jié)束，此時為將空氣通量從每秒5.0厘米增加至每秒9.0厘米后約23分鐘。纜線型加熱器使用的最大功率為約390W。
[0106]通過位于安放的混合物內(nèi)的熱電偶，并通過分析油/沙混合物樣品和氣態(tài)排放樣品，來進(jìn)行實驗的表征。從預(yù)處理混合物的均化批料收集180毫升(mL)土壤樣品，另一份土壤樣品來自于處理過的沙的均化批料，并將其送往Maxxam Analytics (London, Ontario),進(jìn)行下述分析:1) 土壤中的Fl和BTEX石油烴(CCME CffS方法);2) 土壤中的F2-F4石油烴(CCME CffS方法)；3) F4G (CCME烴類重量分析方法)；和4)通過GC/MS分析土壤中的聚芳烴(PAH)化合物(EPA8270方法)。在實驗進(jìn)行期間以恒定速率從裝置頂部抽取氣態(tài)排放物的代表性樣品，以獲得整個程序中的綜合樣品。將水分和可冷凝組分從氣體料流中去除并收集在冷凝阱中，同時將干燥氣體樣品收集在5升Tedlar袋中。將干燥氣體和冷凝物樣品兩者送往Maxxam Analytics (London, Ontario),進(jìn)行下述分析:I)通過GC/TCD分析一氧化碳(CO)和二氧化碳(C02) (EPA3C方法);2)氣體相中的BTEX和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)(EPA TO-15A方法)；和3)冷凝物中的BTEX和VOC (EPA8260方法)。
[0107]上面描述的燃著方案(向纜線型加熱器施加電流并以每秒5.0厘米的(Darcy)通量通過空氣擴(kuò)散器啟動空氣流，隨后將空氣流增加到每秒9.0厘米的(Darcy)通量，并終止加熱源)引起混合物的自維持陰燃。自維持陰燃行為被示出在圖13中示出的溫度-時間圖中。已知當(dāng)來自于一個位置的降低的溫度-時間圖與來自于第二個相鄰位置的增加的溫度-時間圖交叉時，發(fā)生自維持行為。這種溫度交叉證實反應(yīng)產(chǎn)生過量熱量，其允許燃燒反應(yīng)蔓延(在這種情況下，以向上的方向)。在實驗期間，包括在終止纜線型加熱器后的時間段中，由混合物中的熱電偶測量到的峰值(最大)溫度在約480至520度的范圍內(nèi)?；旌衔飪?nèi)各個熱電偶處到達(dá)峰值溫度的時間的分析表明，陰燃蔓延速度為約0.63cm/min (每小時1.26英尺)。
[0108]圖14顯示了處理之前油/沙混合物的Fl和BTEX沸程石油烴、F2-F4沸程石油烴和PAH化合物的濃度的表。油/沙混合物的測量到的試驗前水含量為12%，通過重量分析法測量的油濃度為259，000mg/kg。這等于139，000mg/kg的干重油濃度。油的F1-F4餾分的總量為約76，500mg/kg。圖14還顯示了處理之后土壤中Fl和BTEX、F2_F4和PAH餾分的分析。對于處理后樣品來說，發(fā)現(xiàn)所有被分析的化合物都低于分析儀器的最低檢測限，表明對于所檢查的成分來說，有機(jī)液體的100%的體積減小(假定未檢測到等于完全不存在成分)。這種油去除水平可以在圖15中看到，該圖示出了處理“之前”和處理“之后”樣品的照片。
[0109]在試驗期間測量的CO和CO2 (燃燒氣體)的濃度分別為未檢測到和0.4%。在氣相中檢測到高于百萬分之一體積份(ppmv)的揮發(fā)性化合物包括:二硫化碳，丙烯，氯代甲烷，2-丙酮，庚烷和苯。在從氣相收集的冷凝物中檢測到高于百萬分之一體積份(ppmv)的揮發(fā)性化合物包括:苯，氯苯，乙基苯，鄰二甲苯，對二甲苯和間二甲苯，以及甲苯。
[0110]進(jìn)行了多次重復(fù)實驗，并獲得了與圖13中所述非常相似的結(jié)果。對燃著方案進(jìn)行的修改，包括使用純粹傳導(dǎo)(在燃著之前沒有空氣流)或純粹對流加熱程序(在纜線型加熱器與混合物之間沒有接觸)，也產(chǎn)生與圖13中所述相似的結(jié)果。
[0111]上面的實驗數(shù)據(jù)清楚地證明，本發(fā)明的方法是用于減小有機(jī)液體體積的可行的處理技術(shù)。
[0112]可以對上述內(nèi)容做出各種修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，盡管上述實驗演示了燃燒前沿以豎直向上的方向蔓延，但如果通過燃著位置和混合物內(nèi)空氣流動方向進(jìn)行充分操控，蔓延也可以水平地或以任何其他方向進(jìn)行。
[0113]本發(fā)明的上述實施方式意欲僅僅是示例性的；對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，多種變化和修改是顯而易見的。打算將所有這樣的變化和修改包含在如本發(fā)明的任何權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.減小有機(jī)液體體積的方法，所述方法包括: 將有機(jī)液體與多孔基質(zhì)材料混合以產(chǎn)生混合物； 加熱一部分所述混合物； 迫使氧化劑通過所述混合物；以及 終止施加于所述混合物的加熱源； 以便引發(fā)所述混合物的自維持陰燃，以引起所述有機(jī)液體的體積減小。
2.權(quán)利要求1的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括使燃燒從燃燒的燃著點蔓延開來。
3.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述有機(jī)液體聚集在反應(yīng)容器中。
4.權(quán)利要求1和2任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述有機(jī)液體聚集在包括所述多孔基質(zhì)材料的堆中。
5.權(quán)利要求1和2任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述多孔基質(zhì)聚集在有機(jī)液體氧化塘中。
6.權(quán)利要求1至5任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述混合物連續(xù)進(jìn)料到陰燃區(qū)中。
7.權(quán)利要求1至5任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中混合所述多孔基質(zhì)材料包括將所述液體和多孔材料分批進(jìn)料到容器中。
8.權(quán)利要求1至7任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括使用混合工具將所述多孔基質(zhì)材料與所述液體混合以產(chǎn)生所述混合物。
9.權(quán)利要求8的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述混合工具包括旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片。
10.權(quán)利要求1的減小有機(jī)液體體積的方法，其中將所述多孔基質(zhì)材料與所述液體混合以產(chǎn)生所述混合物包括: 形成包含所述多孔基質(zhì)材料的永久性封閉床或半永久性封閉床；以及 將所述液體連續(xù)傾倒在所述封閉床中。
11.權(quán)利要求1的減小有機(jī)液體體積的方法，其中將所述多孔基質(zhì)材料與所述液體混合以產(chǎn)生所述混合物包括: 形成包含所述有機(jī)液體的封閉床；以及 將所述多孔基質(zhì)材料連續(xù)傾倒在所述封閉床中。
12.權(quán)利要求1和2任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述有機(jī)液體聚集在天然地或人造地中。
13.權(quán)利要求1至12任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中迫使氧化劑通過所述混合物包括將空氣通過注射端口注入到所述混合物中。
14.權(quán)利要求1至13任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中引發(fā)陰燃包括從與所述混合物直接接觸的內(nèi)部傳導(dǎo)加熱源向所述混合物施加熱量。
15.權(quán)利要求1至13任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中引發(fā)陰燃包括從與所述混合物聯(lián)結(jié)的對流加熱源向所述混合物施加熱量。
16.權(quán)利要求15的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述對流加熱源在所述混合物外部。
17.權(quán)利要求15的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述對流加熱源位于所述混合物內(nèi)。
18.權(quán)利要求1至13任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中引發(fā)陰燃包括向所述混合物施加輻射熱。
19.權(quán)利要求13的減小有機(jī)液體體積的方法，其中迫使氧化劑通過所述混合物包括將空氣通過多個注射端口注入到所述混合物中。
20.權(quán)利要求13的減小有機(jī)液體體積的方法，其中迫使氧化劑通過所述混合物包括產(chǎn)生真空以將氧化劑吸入通過所述混合物 。
21.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中引發(fā)陰燃包括從多個加熱源中的至少一個向所述混合物施加熱量。
22.權(quán)利要求21的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述多個加熱源中的至少一個是在所述混合物外部的對流加熱源。
23.權(quán)利要求21的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述多個加熱源中的至少一個是位于所述混合物內(nèi)的對流加熱源。
24.權(quán)利要求21的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述多個加熱源中的至少一個是與所述混合物直接接觸的內(nèi)部傳導(dǎo)加熱源。
25.權(quán)利要求21的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述多個加熱源中的至少一個向所述混合物施加輻射熱。
26.權(quán)利要求8的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括: 使用螺旋混合工具將所述多孔基質(zhì)材料與所述液體混合以產(chǎn)生所述混合物； 將所述混合物經(jīng)由第一傳送器系統(tǒng)供應(yīng)到所述陰燃區(qū)中；以及 經(jīng)由第二傳送器系統(tǒng)去除燃燒產(chǎn)物。
27.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述有機(jī)液體聚集在地平面上。
28.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述有機(jī)液體聚集在地平面下。
29.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括將所述有機(jī)液體聚集在天然地或人造地內(nèi)。
30.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其中所述多孔基質(zhì)材料選自沙、土壤、淤泥、肥土、填土、鵝卵石、礫石、碎石、玻璃、陶瓷、沸石、木屑、木炭、煤、鉆屑及其組口 ο
31.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括在200攝氏度和2000攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行所述陰燃。
32.前述權(quán)利要求任一項的減小有機(jī)液體體積的方法，其還包括迫使空氣以在0.0001厘米/秒和100厘米/秒之間的線速度通過所述混合物。
33.前述權(quán)利要求任一項的方法，其還包括在燃燒之前將燃料添加劑與所述多孔基質(zhì)材料和所述液體混合。
34.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述有機(jī)液體是液體。
35.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述有機(jī)液體是污泥。
36.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述有機(jī)液體包含重金屬，并且所述方法還包括維持自維持陰燃直至從所述混合物去除一些或所有所述重金屬的步驟。
37.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述多孔基質(zhì)含有重金屬，并且所述方法還包括維持自維持陰燃直至從所述混合物去除一些或所有所述重金屬的步驟。
38.權(quán)利要求36的方法，其中所述重金屬是汞。
39.權(quán)利要求37的方法，其中所述重金屬是汞。
40.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述有機(jī)液體包含石棉，并且所述方法還包括維持自維持陰燃直至通過暴露于陰燃熱量下使一些或所有所述石棉變得毒性降低或無毒性的步驟。
41.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述多孔基質(zhì)含有石棉，并且所述方法還包括維持自維持陰燃直至通過暴露于陰燃熱量下使一些或所有所述石棉變得毒性降低或無毒性的步驟。
42.前述權(quán)利要求任一項的方法，其中所述多孔基質(zhì)是含有水分的土壤，并且所述方法還包括維持自維持陰燃直至從所述土壤去除一些或所有所述水分的步驟。
43.減小有機(jī)液體體積的方法，所述方法包括: 將所述有機(jī)液體聚集在反應(yīng)容器、基質(zhì)堆或氧化塘中以形成聚集物； 向所述聚集物添加選自植物油、焦油、化學(xué)氧化劑、鉆探泥漿和石油烴的增補(bǔ)燃料； 將選自沙、土壤、淤泥、肥土、填土、鵝卵石、礫石、碎石、玻璃、陶瓷、沸石、木屑、木炭、煤、鉆屑及其組合的多孔基質(zhì)材料與所述液體混合以產(chǎn)生混合物，其中所述混合物足夠均勻以能夠自維持陰燃；` 使用至少一個傳導(dǎo)加熱器、對流加熱器或輻射加熱器加熱一部分所述混合物； 迫使氧化劑從至少一個空氣供應(yīng)端口通過所述混合物； 終止施加于所述混合物的加熱源；以及 迫使空氣從至少一個空氣供應(yīng)端口通過所述混合物； 以便引發(fā)所述混合物的自維持陰燃，以引起所述有機(jī)液體的體積減小。
【文檔編號】B01D61/00GK103492050SQ201280019787
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月29日
【發(fā)明者】加文·格蘭特, 大衛(wèi)·馬若, 杰森·格哈德, 喬斯·托雷羅, 格蘭特·斯科爾斯, 保羅·皮羅尼, 克里斯蒂娜·斯維澤 申請人:吉奧森泰克咨詢公司