Способ непрямого химического восстановления компонента отходов

Способ непрямого химического восстановления компонента отходов

Реферат

 

Изобретение относится к регенированию материалов отходов. Способ включает химическое восстановление по существу всех восстановительных токсичных и потенциальное опасных металлсодержащих компонентов отходов. Отходы подают в ванну расплава металла, включающую первый восстановитель, который при рабочих условиях расплава металла в ванне расплава химически восстанавливает металл металлсодержащего компонента с образованием растворимого промежуточного соединения, второй восстановитель при рабочих условиях расплава металла в ванне расплава химически восстанавливает металл растворимого промежуточного соединения. Скорость, с которой подают второй восстановитель в ванну расплава металла, по сравнению со скоростью, с которой в ванну расплава металла подают компонент отходов, достаточна для растворения в ванне расплава металла по существу всего образовавшегося металлсодержащего промежуточного соединения, в результате чего происходит непрямое химическое восстановление компонента отходов. Такая технология обеспечивает регенерирование различных материалов, включая золу металлсодержащих муниципальных отходов, стекловидные шлакообразные материалы и отработанные металлические катализаторы. 2 с. и 29 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу непрямого химического восстановления компонента отходов. Утилизация вредных отходов становится все более возрастающей проблемой. Наличие пригодного пространства для захоронения таких отходов все уменьшается. Также загрязнение окружающей среды обычными способами утилизации, например, сжиганием и сбрасыванием в отвалы, все увеличивается. Например металлы, такие как свинец, которые часто присутствуют в опасных отходах, не разлагаются. Выпуск опасных отходов в окружающую среду в виде газов и пыли, например, зольной пыли, часто загрязняет водные источники и атмосферу, в результате чего ухудшается качество жизни населения. Эти проблемы вместе с усиливающейся осведомленностью о натиске экологических проблем приводит не только к пониманию увеличения проблем утилизации отходов, но и к осознанию надвигающейся угрозы, связанной с огромными объемами материалов отходов, создающихся при сжигании и озолении всех видов отходов. Озоленение в основном является результатом неполного сгорания вследствие неэффективной комбинации с кислородом и присутствия негорючих неорганических солей и металлов. Полученные в результате озоления остатки превышают обычно 25% от первоначальной массы материалов отходов, а часто превышают и 70%. Поскольку баланс массы необходимо поддерживать, за исключением потерь массы из-за воды, азота и связанных газов, комбинация углеродистых материалов с кислородом, приводящая к получению двуокиси углерода, реально увеличивает массу отходящих газов при коэффициенте порядка трех. Хотя общий процесс приводит к снижению объема и массы, концентрация негорючих ядовитых материалов неизбежно увеличивается, при этом эти материалы часто находятся в выщелачиваемых зольных остатках. Зольная пыль также представляет более реальную опасность, поскольку, как отмечено выше, насыпание отвалов не считается жизнеспособным способом утилизации. Попытки уменьшить объемы остатков за счет более полного сжигания связаны с экономическими штрафами за состояние после сжигания и потребностью в дополнительном топливе. Несмотря на эти усилия, более низкие температуры сжигания, свойственные классической методологии сжигания, однозначно связанные с температурой их остатков, являются теми характеристиками, которые еще гарантируют, что образование золы происходит обычно ниже ее точки плавления и она не спекается. Такие неспеченные отходы обычно могут выщелачиваться в природе и представляют опасность для окружающей среды, поскольку токсичные компоненты находятся в более концентрированной форме и могут легко попадать в экосистему. Кроме того, вредные потоки отходов, как, например, зольная пыль, производимая нефтесжигающими тепловыми электростанциями, содержат ценные металлы, например никель и ванадий. Попытки извлечь такие металлы из зольной пыли включают, например, плавление зольной пыли в реакторах с дуговым разрядом. Однако химическое восстановление окислов металлов в реакторах с дуговым разрядом обычно является неполным. Кроме того, из других компонентов металлсодержащих композиций, например органических компонентов, содержащих вредные отходы, во время обработки в реакторе с дуговым разрядом могут выделяться в атмосферу вредные органические вещества, как, например, диоксины. Технология прямого восстановления металлов, раскрытая в EP 0453904, включает пропускание восстановителя, например углерода, через ванну расплавленного металла, в результате чего восстанавливаются окислы металлов. Общей целью является селективное восстановление окислов, содержащихся в руде, настолько быстрое, насколько возможно снизить стоимость производства. Восстановитель обычно инжектируется на ванну расплавленного металла со скоростью и в количестве, достаточными для реагирования с окислами металлов, которые не растворяются в ванне расплавленного металла. Реакции, осуществляемые при таких гетерогенных условиях, являются очень непроизводительными и неэффективными вследствие относительно низкой частоты столкновений молекул реагента и не могут обеспечить возмещение химически восстановленных разновидностей для извлечения, в связи с чем количество восстановителя, которое вводится в ванну расплавленного металла, значительно превышает теоретически необходимое для восстановления окисла металла количество восстановителя. Скорость, с которой восстановитель вводится в ванну расплавленного металла, достаточна для того, чтобы увлечь окислы металлов прежде, чем они могут раствориться в ванне расплавленного металла и восстановиться в ней. Такое увлечение дополнительно уменьшает химическое возмещение таких возмещаемых разновидностей.

Изобретение относится к способу непрямого химического восстановления компонентов отходов.

Способ включает направление отходов, содержащих компонент, в ванну расплавленного металла. Ванна расплавленного металла содержит первый металлсодержащий восстановитель, который при рабочих условиях ванны расплава восстанавливает химически компонент композиции отходов для образования растворимого металлсодержащего промежуточного соединения. Металл металлсодержащего промежуточного соединения подвергается воздействию второго восстановителя, который при рабочих условиях ванны расплавленного металла химически восстанавливает металл со скоростью, зависящей от скорости, с которой компонент отходов направляется в ванну расплавленного металла, и достаточной для того, чтобы заставить по существу все образовавшиеся металлсодержащие промежуточные соединения растворяться в ванне расплавленного металла для последующего восстановления металлического компонента промежуточного соединения посредством непрямого восстановления компонента отходов. Это изобретение имеет много преимуществ. Например, по существу все образовавшиеся растворимые промежуточные соединения растворяются в ванне расплавленного металла. Растворимые промежуточные соединения смешиваются с вторым восстановителем в виде растворенного в ванне расплавленного металла вещества, в результате чего увеличивается эффективность столкновений частиц и эффективность теплопередачи в ванне расплавленного металла. При этих условиях этап восстановления можно термодинамически регулировать, в связи с чем он является высокоэффективным. В результате общий выход реакции значительно увеличивается в сравнении со способом с большим объемом производства, в котором беспорядочно вдувают углерод в ванну расплавленного металла. Другим отчетливым преимуществом восстановления растворенного промежуточного соединения является то, что требуется только близкое к стехиометрическому количество второго восстановителя углерода. Следовательно количество отходов газов, выделяемых ванной расплавленного металла, и последующие требования к обработке отходящих газов существенно снижаются. Также существенно снижаются объемы высокотоксичных металлов, как например, кадмия, цинка, ртути, мышьяка и химически загрязненной золы, шлама, шлака, пыли и т.п., которые либо выбрасываются в атмосферу, либо в отвалы вследствие того, что в настоящем изобретении имеются средства для отделения, химического возмещения, очистки и извлечения промышленных продуктов из загрязняющих веществ.

Чертеж является схематическим изображением системы и поперечного сечения реактора системы для осуществления способа изобретения.

Далее более подробно описаны признаки и другие подробности способа изобретения со ссылкой на приложенный чертеж и указанием на пункты формулы. Понятно, что отдельные варианты изобретения приведены только для иллюстрации изобретения и не ограничивают его. Принципиальные характеристики настоящего изобретения можно использовать в различных вариантах, не отходя от духа и сферы применения изобретения.

Изобретение, в основном, относится к способу извлечения металла из металлсодержащих отходов путем химического восстановления металла как компонента отходов в ванне расплавленного металла. Примерами пригодных структур отходов являются металлсодержащие шлаки, зола, пыль и грунт. В состав отходов может входить по крайней мере один радиоактивный компонент как, например, радиоактивный компонент, являющийся членом группы актинидов. Понятно также, что в состав отходов может входить более, чем один металлсодержащий компонент. Примеры пригодных металлсодержащих компонентов, содержащих тяжелые металлы, включают свинец, ртуть, кадмий, цинк, олово и мышьяк. Примеры пригодных металлсодержащих компонентов, содержащих благородные металлы, включают титан, ванадий, ниобий, хром, кобальт, никель, серебро и платину. Примеры других подходящих металлов включают медь и железо. В состав отходов в качестве металлсодержащего компонента могут входить, например, окислы, сульфиды, фосфиды, нитриды или галиды. Отдельные примеры пригодных металлсодержащих компонентов включают сульфид никеля (NiS), окись железа (FeO) и оксихлорид ванадия (YOCl).

В первом варианте в состав отходов входит первый металлсодержащий компонент, который может быть восстановлен первым восстановителем в ванне расплавленного металла для образования промежуточного соединения. Необязательно состав отходов может включать органические компоненты, которые могут диссоциировать в ванне расплавленного металла на его атомные составляющие. Первоначальное тепловое воздействие органических соединений на рабочую среду реакционной зоны вызывает разрыв связей или их дробление, что переводит вещества в более окисляемую (разрыв оболочки) форму. Примерами подходящих составов отходов являются смешанные отходы, которые содержат различные полимерные материалы, полученные в результате производства печатных плат, смешанные отходы, которые содержат никелевые лиганды и различные органические составляющие, и ванадиевые и/или молибденовые катализаторы, применяющиеся при эпоксидировании алкенов.

Представленная на чертеже система 10 является одним из вариантов системы, пригодной для осуществления способа изобретения. Система 1- включает реактор 12. Подходящими сосудами могут быть K-BOP, G-BOP, аргоно-кислородные печи обезуглероживания (AOD), FAF и т.п., известные, например, в сталеплавильном производстве.

Реактор 12 имеет верхний участок 14 и нижний участок 16. Для направления отходов в реактор 12 в верхней части 14 реактора 12 расположен входной патрубок для ввода отходов 18. Из верхней части 14 расположен патрубок для выпуска отходящих газов 20 из реактора 12. В нижней части 16 реактора 12 расположены фурмы для подачи отходов 22, которые имеют трубу для ввода защитного газа 24 и впускную трубу для ввода отходов 26. Выходные отверстия 28 фурм для ввода отходов 22 расположены в нижней части 16 реактора 12. Труба для ввода защитного газа 24 проходит от трубопровода защитного газа 29 к выходному отверстию 28 фурмы для ввода отходов реактора 12. Трубопровод защитного газа 29 проходит от источника защитного газа 30 к трубе для ввода защитного газа 24. Впускная труба для ввода отходов 26 проходит от трубопровода источника отходов 27 к выходному отверстию 28 фурмы для ввода отходов реактора 12. Трубопровод источника отходов 27 проходит от источника отходов 32 к впускной трубе для ввода отходов 26. Впускная труба для ввода отходов 26 расположена внутри трубы для ввода защитного газа 24 до выходного отверстия 28 фурмы для ввода отходов. На трубопроводе источника отходов 27 расположен насос 34 для подачи подходящих отходов из источника отходов 32 через выходное отверстие 28 фурмы для ввода отходов в реактор 12. Фурмы для ввода отходов 22 имеют размеры и конфигурацию, обеспечивающие непрерывную подачу или введение соответствующих металлсодержащих отходов, имеющих соответствующий состав, в реактор 12. Понятно однако, что отходы могут вводиться в реактор 12 прерывисто, что предпочтительнее, чем непрерывно. Также понятно, что в реакторе 12 можно расположить более, чем одну фурму для ввода отходов. Кроме того, также понятно, что отходы можно вводить в реактор 12, подавая их через трубопровод 33 от источника отходов 32, через впускной патрубок для ввода отходов 18 или любым другим подходящим способом, как, например, с применением расходуемого копья. Фурмы для ввода восстановителя 36 расположены в нижней части 16 реактора 12 в месте, удаленном от фурмы для ввода отходов 22. Фурма для ввода отходов 22 достаточно удалена от фурмы для ввода восстановителя 36 для того, чтобы по существу весь введенный в реактор 12 первый окисел металла мог быть восстановлен первым восстановителем в ванне расплавленного металла (жидкой ванне), расположенной в реакторе 12, при рабочих условиях системы 10. Фурма для ввода восстановителя 36 содержит трубу для ввода защитного газа 38 и впускную трубу для ввода восстановителя 40. Фурма для ввода восстановителя имеет выходное отверстие 42 для ввода восстановителя. Впускная труба для ввода восстановителя 40 расположена внутри трубы для ввода защитного газа 38 до выпускного отверстия 42. Понятно, что в реакторе 12 можно расположить более, чем одну фурму для ввода восстановителя. Также понятно, что фурма для ввода восстановителя 36 может иметь размеры и конфигурацию, приспособленные либо для непрерывного, либо для прерывистого введения восстановителя в ванну расплавленного металла (жидкую ванну) в реакторе 12. Труба для ввода защитного газа 38 проходит от трубопровода защитного газа 31 к выпускному отверстию 42 для выпуска восстановителя. Трубопровод защитного газа 31 проходит от источника защитного газа 30 к трубе для ввода защитного газа 38. Впускная труба для ввода восстановителя 40 проходит от трубопровода 44 к нижней части 16 реактора 12. Трубопровод 44 проходит от источника восстановителя 46 к впускной трубе для ввода восстановителя 40. На трубопроводе 44 расположен насос 48 для подачи соответствующего второго восстановителя от источника восстановителя 46 через впускную трубу для ввода восстановителя 40 в реактор 12.

От нижней части 16 реактора 12 отходит донный сливной желоб или патрубок 52, который приспособлен для удаления по крайней мере части ванны расплавленного металла из реактора 12. Могут также быть предусмотрены дополнительные донные сливные патрубки, не показанные, как средство для непрерывного или прерывистого периодического выпуска по крайней мере части ванны расплавленного металла из реактора 12. Например, материал можно выпускать из реактора 12 посредством поворота реактора 12 и использованием желоба, не показанного, проходящего от впускного патрубка для ввода отходов 18. Альтернативно желоб может проходить в реактор 12 через выпускную летку, не показанную. В нижней части 16 реактора 12 расположены индуктивно катушки 53 для нагрева ванны расплавленного металла в реакторе 12 или для инициирования генерирования тепла в реакторе 12. Понятно, что альтернативно реактор может нагреваться другими пригодными средствами, как, например, кислородными горелками, электрической дугой и т.п. Для управления и обращения с реактором 12 на нем расположены цапфы 54 и 56. Между реактором 12 и выпускным газоходом 20 расположено уплотнение 58, приспособленное для обеспечения частичного поворота реактора 12 вокруг цапф 54 и 56 без разрывания его (т.е. уплотнения 58). Альтернативно реактор 12 не имеет цапф 54 и 56 или уплотнения 58 и не поворачивается.

У выпускного газохода для отходящих газов 20 расположен теплообменник 60. Теплообменник 60 может быть любым подходящим теплообменником для охлаждения отходящих газов, выпускаемых из реактора 12. Примерами таких подходящих теплообменников могут служить водоохлаждаемые вытяжные зонты, теплообменники типа труба в трубе и т.п. В одном из вариантов теплообменник 60 является теплообменником типа труба в трубе, который включает сторону отходящих газов 62, ограниченную входным отверстием 64 и выходным отверстием 66 для впуска и выпуска отходящих газов. Теплообменник 60 также имеет охлаждающую сторону 68, которая ограничена входом охладителя 70 и выходом охладителя 72 для впуска и выпуска охладителя. Между источником охладителя 76 и входом охладителя 70 теплообменника 60 проходит трубопровод 74. Пригодный для охлаждения отходящего газа охладитель (или хладагент) размещен в источнике хладагента 76. Примером подходящего хладагента может служить вода, этиленгликоль, этилбензол, спирты и другие.

На выходе отходящих газов 66 теплообменника 60 расположен скруббер 78. Скруббер 78 приспособлен для удаления компонентов отходящего газа и образования потока, который может быть направлен в реактор 12 или утилизирован любыми другими подходящими средствами. Примером подходящего скруббера может служит скруббер щелочного типа. Скруббер 78 ограничивает вход отходящего газа 80, жидкостной вход скруббера 82, жидкостной выход скруббера 84 и выход отходящего газа 85. Между источником жидкости для скруббера 88 и жидкостным входом скруббера 82 и скруббера 78 проходит трубопровод 86. В источнике жидкости для скруббера 88 размещена жидкость для скруббера, пригодная для отделения по крайней мере одного компонента отходящего газа из последнего. Примером подходящей жидкости для скруббера может служить гидроокись натрия или едкий натр (NaOH), гидроокись кальция (Ca(OH)₂) и другие. К входному патрубку для ввода отходов 18 и впускной трубе для ввода отходов 26 фурмы 22 реактора 12 проходит трубопровод 90 от выхода скруббера 84. На трубопроводе 90 расположен насос 92 для подачи жидкости скруббера из скруббера 78 в реактор 12.

Реакционная зона в системе 10 включает ванну расплавленного металла (жидкую ванну расплава) 94, стекловидный шлаковый слой 96 и газовую фазу 98. В одном из вариантов ванна расплава металла 94 включает первый восстановитель, например металлический компонент. Первый восстановитель может химически восстановить компонент отходов, поступающих в зону расплава металла 94, вследствие того, что растворенное промежуточное соединение, образовавшееся за счет реакции металлического компонента отходов с первым восстановителем, имеет более низкую свободную энергию образования Гиббса, чем компонент. Альтернативно первый восстановитель может быть направлен в ванну расплава металла 94 в процессе химического восстановления металлического компонента отходов в ванне расплава металла 94 согласно способу настоящего изобретения. Примерами подходящих первых восстановителей, являющихся металлическими компонентами ванны расплава металла 94, могут служить железо, хром, марганец, медь, никель, кобальт и другие. Понятно, что ванна расплава металла может включать более, чем один металл. Например, ванна расплава металла 94 может содержать раствор или сплав металлов. Также понятно, что ванна расплава металла может содержать оксиды или соли, например оксиды или соли металлов ванны. Как описано в патенте США N 5177304, приведенного в данном описании для справки, ванна расплава металла может включать более, чем одну фазу расплава металла. В одном из вариантов значительный процент ванны расплава металла 94 составляют оксиды или соли. Альтернативно значительный процент ванны расплава металла составляет элементарный металл. В одном из вариантов ванна расплава металла образована по крайней мере частично заполняющим реактор металлом. Металл затем нагревают для образования ванны расплава металла индуктивными катушками или другими средствами, не показанными. Когда образована ванна расплава металла, имеющая несмешивающиеся фазы, в реактор 12 вводят два несмешивающихся металла. Металлы разделяются в процессе плавления для образования первой фазы расплава металла и второй фазы расплава металла, не смешивающейся с первой фазой расплава металла.

На ванне расплава металла 94 расположен стекловидный шлаковый слой 96. Шлаковый стекловидный слой 96 по существу не смешивается с ванной расплава металла 94 и обычно содержит по крайней мере оксид одного металла. Альтернативно система 10 не имеет шлакового стекловидного слоя. Обычно стекловидный шлаковый слой 96 имеет низкую вязкость, позволяющую летучим свободным радикалам и газам проходить из ванны расплава металла 94 через стекловидный шлаковый слой 96 в газовую фазу 98. В одном из вариантов стекловидный шлаковый слой 96 имеет более низкую теплопроводность ванны расплава металла 94. Потери на излучение от ванны расплава металла 94 в результате этого могут быть значительно снижены в сравнении с потерями тепла на излучение для ванны расплава металла при отсутствии стекловидного шлакового слоя. Понятно, что шлаковый стекловидный слой 96 может содержать более, чем оксид одного металла. Шлаковый стекловидный слой 96 также может иметь более, чем одну фазу. Шлаковый стекловидный слой 96 может быть образован за счет подачи в реактор 12 соответствующих материалов и нагревания этих материалов в реакторе 12 до температуры, достаточной для расплавления материалов. Стекловидный шлаковый слой 96 также может содержать шлак или шлам, загрязненные токсичными металлами или их окислами, или другими ценными металлами, которые пригодны для извлечения. Материалы могут подавать на верх ванны расплава металла 94 или инжектироваться в ванну расплава металла 94, используя способы, хорошо известные в сталеплавильном производстве. Примерами пригодных материалов для образования стекловидного шлакового слоя 96 могут служить окислы металлов, галогены, сера, фосфор, тяжелые металлы, шламы и т.п. Примерами пригодных окислов металлов в стекловидном шлаковом слое 96 служат оксид титана (TiO₂), оксид циркония (ZrO₂), окись алюминия (Al₂O₃), окись магния (MgO), окись кальция (CaO), окись кремния (SiO₂) и т.п. Компоненты отходов также могут содержаться в стекловидном шлаковом слое 96. В одном из вариантов стекловидный шлаковый слой 96 содержит около 40% окиси кальция, около 40% двуокиси и около 20% окиси алюминия и имеет толщину около пяти дюймов в спокойном неподвижном состоянии.

Материалы, используемые для образования стекловидного шлакового слоя 96 могут становиться компонентами стекловидного шлакового слоя 96 за счет образования других стабильных соединений посредством химической реакции, например, с катионами щелочных металлов или катионами редкоземельных металлов. Примерами таких продуктов реакции могут служить фторид кальция (CaF₂), фосфат магния (Mg₃(PO₄)₂). Дополнительными примерами могут быть сульфид кальция и стекла, содержащие летучие окиси металлов, как, например, окись свинца.

Газовый слой 98 проходит от стекловидного шлакового слоя 96 к верхней части 14 реактора 12 и через выпускной газоход отходящих газов 20 в скруббер 78. Газовый слой 98 включает отходящие газы, образующиеся в ванне расплава металла 94 и стекловидном шлаковом слое 96. Отходящие газы по крайней мере частично образованы за счет испарения и реакции компонентов отходов с образованием газов, например, моноокиси углерода и необязательно двуокиси углерода.

В ванну расплава металла 94 отходы поступают из источника отходов 32 через впускную трубу для ввода отходов 26 совместно с защитным газом, который подается из источника защитного газа 30 через трубу для ввода защитного газа 24. Защитный газ подается в ванну расплава металла 94 через фурму для ввода отходов 22 и может охлаждать область внутри ванны расплава металла, близкую к фурме для ввода отходов 22 при рабочих условиях системы 10. Примерами пригодных защитных газов могут быть газообразный азот (N₂), пар, метан (CH₄), хлорбензол (C₆H₅Cl) и другие. В одном из вариантов хлорбензол под воздействием ванны расплава металла преобразуется с образованием фрагментов углеводородных радикалов и радикалов хлора.

Понятно, что металлосодержащие отходы могут быть введены в любом месте реакционной зоны, которое достаточно удалено от того места в реакционной зоне, в котором в ванну расплава металла вводится второй восстановитель. Например, металлосодержащие отходы могут подаваться в реактор 12 через впускной патрубок для ввода отходов 18 в виде частиц.

Пригодные рабочие условия системы 10 включают температуру ванны расплава металла 94, достаточную для того, чтобы первый восстановитель в ванне расплава металла 94 химически восстанавливал металлсодержащий компонент введенных в ванну расплава металла 94 отходов с образованием в результате этого растворимого металлсодержащего промежуточного соединения. Кроме того, температура ванны расплава металла 94 должна быть достаточно для того, чтобы второй восстановитель, поданный в ванну расплава металла 94, мог химически восстановить металл растворимого промежуточного соединения со скоростью, достаточной для обеспечения растворения в ванне расплава металла 94 по существу всего образовавшегося металлосодержащего промежуточного соединения. Первый восстановитель имеет свободную энергию окисления Гиббса меньшую, чем последняя, для металлического компонента первого оксида металла. В одном из вариантов стехиометрическое соотношение металлсодержащего компонента отходов и первого восстановителя либо равно, либо больше, чем около 1:1.

Отходы, поступающие в реактор 12, соединяются с ванной расплава металла 94 и также могут соединяться со стекловидным шлаковым слоем 96. Контактирование отходов с ванной расплава металла 94 или стекловидным шлаковым слоем 96 воздействует на отходы таким образом, что первый металлосодержащий компонент отходов химически восстанавливается первым восстановителем в ванне расплава металла 94, в результате чего образуется растворенное промежуточное соединение. В одном из вариантов первый восстановитель является компонентом ванны расплава металла 94. Например, первый восстановитель может быть элементарным железом в ванне расплава железа, где ванна расплава является активной ванной (жидкой ванной). Высокое стехиометрическое соотношение металла ванны и металла металлсодержащего компонента увеличивает склонность к образованию оксида железа (FeO). Альтернативно первый восстановитель может подаваться в ванну расплава металла 94 соответствующими средствами, например, через фурмы, не показанные. В этом альтернативном варианте ванна расплава металла не реагирует с первыми окислом металла и, следовательно, является пассивной ванной.

Растворенное промежуточное соединение мигрирует через ванну расплава металла 94 от участка ванны расплава металла 94, ближайшего к фурме для ввода восстановителя 36. Растворенное промежуточное соединение может также мигрировать за счет соответствующих средств, например, перемешивания расплава металла или за счет диффузии. Ванна расплава металла 94 может перемешиваться подходящими средствами, например, введением защитного газа или подачей металлсодержащей композиции или второго восстановится в ванну расплава металла со скоростью, достаточной для создания турбулентного потока в ванне расплава металла 94. Второй восстановитель подается насосом 48 из источника восстановителя 46 через трубопровод 44 и трубу для ввода восстановителя 40 и через фурму для ввода восстановителя 36 в ванну расплава металла 94. Второй восстановитель растворяется в ванне и пригоден для химического восстановления металла растворимого промежуточного соединения в реакционной зоне. В одном из вариантов отношение стехиометрических коэффициентов к скорости подачи для второго восстановителя и для металла металлосодержащего промежуточного соединения в ванне расплава металла больше, чем около 1:1. Также скорость реакции растворенного промежуточного соединения с вторым восстановителем достаточно для того, чтобы по существу все образовавшееся промежуточное металлсодержащее соединение растворялось в ванне расплава металла 94 с последующим восстановлением металлического компонента промежуточного соединения. Примером пригодного второго восстановителя является углерод. Примерами других пригодных вторых восстановителей является бор, кремний, ферросилиций и другие.

Скорость, с которой подают второй восстановитель в ванну расплава металла 94, в сравнении со скоростью подачи металлического компонента первой металлической составляющей в ванну расплава металла 94 достаточна для химического восстановления металла растворенного промежуточного соединения со скоростью, при которой по существу все образовавшиеся промежуточное соединения растворяется в ванне расплава металла 94 с последующим восстановлением металлического компонента промежуточного соединения, в результате которого осуществляется непрямое восстановление компонента композиции отходов. В одном из вариантов скорость, с которой в ванну расплава металла подают второй восстановитель, достаточна для поддержания постоянной концентрации растворимого промежуточного соединения в ванне.

Восстановление является непрямым в связи с тем, что металлический компонент восстанавливается посредством реакции с первым восстановителем металла для образования растворенного промежуточного соединения. Металл растворенного промежуточного соединения в результате восстанавливается посредством реакции со вторым восстановителем, который восстанавливает первый восстановитель. Первый восстановитель, следовательно, свободен и доступен для непрерывного восстановления вспомогательного растворенного промежуточного соединения. Металл растворенного промежуточного соединения после восстановления вторым восстановителем может растворяться в ванне расплава металла 94. Необязательно металл можно извлекать из ванны расплава металла 94 подходящим способом. Например, может испаряться и улетучиваться за счет галогенирования металла хлором.

Когда ванна расплава металла 94 является активной ванной, компонент отходов может быть металлсодержащей примесью, содержащейся в оксидах, фосфидах, нитридах, сульфидах или галидах. Металл ванны расплавленного металла 94 реагирует с компонентом отходов с образованием металлсодержащего растворенного промежуточного соединения. В одном из вариантов, например, компонентом отходов являлся сульфид никеля, который реагировал с элементарным железом ванны расплава металла. Продукт реакции содержал растворимый сульфид железа в качестве промежуточного соединения и элементарный никель. Реагент, замещающий металл-лиганд (MLER) поступает в ванну расплава металла 94 из источника MLER 100 за счет приведения в действие насоса 102 через трубопровод 104 и фурму 106. Фурма 106 может охлаждаться защитным газом от источника защитного газа 30. Фурма 106 включает внутреннюю трубу 107 и наружную трубу 109. Трубопровод 106 присоединен к внутренней трубе 107. Защитный газ поступает из источника защитного газа 30 через трубопровод 31 и трубопровод 111 в наружную трубу 109 фурмы 106.

Примерами подходящих MLER могут служить окись кальция, окись магния и другие, MLER реагирует с растворимым промежуточным соединением в реакции обмена металла лиганда с образованием продуктов обмена лиганда (MLER's). Один из MLER's включает металл растворимого промежуточного соединения. Другие MLER по существу нерастворимы в ванне расплава металла 94 и мигрируют в стекловидный шлаковый слой 96. Второй восстановитель поступает из источника восстановителя 46 через фурму 36 в ванну расплава металла 94, где реагирует с металлом MLER, который получен из растворимого промежуточного соединения. Например, если в качестве MLER использовался оксид кальция, который реагировал с сульфидом железа (FeS), являющимся растворимым промежуточным соединением, продуктами обмена MLER должны быть окись железа (FeO) и сульфид кальция (CaS). Сульфид кальция будет мигрировать в стекловидный шлаковый слой 96. Подходящий второй восстановитель, например углерод, будет реагировать с окисью железа с образованием моноокиси углерода (CO), который будет вылетать из ванны расплава металла 94 в виде газа, и элементарного железа. Реакционная способность второго восстановителя с MLER, в данном случае с окисью железа, намного выше, чем с любым MLER (FeS или CaO). Скорость, с которой второй восстановитель восстанавливает металл продукта обмена металла лиганда, достаточна для того, чтобы по существу весь металл образовавшегося металлсодержащего промежуточного соединения восстанавливался в ванне расплава металла, в результате чего осуществляется непрямое восстановление компонента отходов.

В другом варианте настоящего изобретения в состав отходов в дополнение к металлсодержащему компоненту, который может быть восстановлен первым восстановителем, входит второй металлсодержащий компонент, который не восстанавливается в условиях ванны расплава металла ни первым, ни вторым восстановителями. В этом варианте приносимый в жертву металл может подаваться в ванну расплава металла 94 после восстановления вторым восстановителем металла растворимого промежуточного соединения. Жертвуемый металл имеет свободную энергию окисления более низкую, чем второй восстановитель, и подается в ванну расплава металла в количестве, достаточном для восстановления по крайней мере значительной части второго металлсодержащего компонента. В обстоятельствах, при которых и источник отходов 32, и источник второго восстановителя 46 имеют четко определенный состав, легко подобрать две скорости, чтобы иметь приблизительно стехиометрические составы для, по существу, полного завершения восстановления кислородсодержащей композиции металла. В противном случае становится необходимым определение по крайней мере приблизительных количеств реагирующих компонентов соответственных составов. Реагирующими компонентами являются те, которые будут подвергнуты реакции в ванне. Определение эффективных концентраций реагирующих компонентов может быть осуществлено посредством прямых и косвенных аналитических способов, хорошо известных в технике. Эти способы могут быть автоматическими или ручными в зависимости от природы источников. Можно использовать автоматические способы, которые включают накопление данных о составе от других источников, обработку этих данных в компьютере и затем направление их в общеизвестные сервомеханизмы для регулирования необходимых скоростей для того, чтобы получить приблизительно стехиометрические составы. Также важны управление изменениями состава ванны расплава металла, состава стекловидного шлакового слоя и отходящих газов. Такие аналитические измерения могут дать косвенную информацию, касающуюся связи источников отходов и восстановителя. Если, например, количество растворимого промежуточного соединения в ванне становится избыточным, скорость второго восстановителя должна быть увеличена. Аналогичным образом, если концентрация второго восстановителя (углерода или углеродсодержащего материала, например) в ванне значительно увеличилась, то либо уменьшают скорость инжектирования второго восстановителя, либо увеличивают скорость введения источника отходов. Считается, что концентрация промежуточного соединения должна быть и избыточной, если она превышает его предел растворимости в ванне металла и начинает мигрировать в шлаковый слой. Аналогичным образом концентрация второго восстановителя должна регулироваться таким образом, что концентрация его, например углерод, не должна п