从基质中分离成分的设备

摘要

本发明提供了一种设备，该设备用于从各种基质中分离有害和无害的有机和无机成分。也提供了一种分离这些成分的方法。

权利要求

1.一种从基质中分离废弃物成分的设备，包括：容器，具有顶部和底部，所述顶部具有排出气体的管道；

加热器底座，所述底座被固定地安装到管道机构上；

可拆卸塔盘，所述塔盘被可拆卸地装到加热器底座上，和所述塔盘从顶部装载基质；

液压缸，所述液压缸用以升起排气管道；

加热器，所述加热器安装在基质下方并设置在便携式加热器机构中，这些加热器向上直接对着基质下表面；和机械搅拌基质的装置；

其中所述容器本身没有任何侧面，塔盘的侧面通过塔盘装到加热器底座上而构成容器侧面。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括产生真空以便通过所述管道抽取气体的装置。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述塔盘包括具有小孔的底部，所述底部能支撑基质并使空气向上穿过基质和小孔。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述底部为筛网。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述底部开有槽。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述塔盘具有的尺寸、形状和容量使得能利用叉车搬动塔盘并将其装入容器。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述塔盘具有至少2.5立方码的装载容量。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述塔盘在铲车叉槽对侧端具有用于卸下处理后基质的铰链式门。

9.根据权利要求1所述的设备，其中管道底表面包括高温硅或耐热衬垫，以便将塔盘封接到管道上，这样空气能充分进入塔盘和塔盘中容纳的基质，而不会进入塔盘四周。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述管道包括1到100微米的干燥过滤介质，该介质能物理地分离吹扫气体气流中夹杂的基质颗粒。

11.根据权利要求1所述的设备，进一步包括远程监控所述设备运行的装置，它利用控制器系统和传感器向计算机传送信息。

12.根据权利要求1所述的设备，包括1到4个塔盘。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备为固定安装或非固定安装。

14.一种利用权利要求1-13任一项的设备从基质中分离废弃物成分的方法，包括：将基质装入所述设备的可拆卸塔盘中；

加热基质，其中在加热基质的同时搅拌基质，其中加热器安装在基质下方并设置在便携式加热器机构中，这些加热器向上直接对着基质下表面；

通过在基质上方形成真空从而在基质内产生负压；和从基质中排出气体成分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述基质是选自放射性物质、工业生产废弃物流、土壤、淤渣、活性碳、催化剂、凝聚体、生物体、有机物残渣、吸附剂、钻井泥、岩屑。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述成分的沸点范围从30华氏度到1600华氏度。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述成分选自氨、汞、汞化合物、氰化物、砷、砷的化合物以及硒和硒的化合物。

18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括从基质中分离成分，其中成分不会被以热方式破坏或燃烧。

19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过对成分的冷凝或物理过滤或吸附使从基质中分离出来的成分发生可逆相变。

20.根据权利要求14所述的方法，其中在达到成分的解吸温度后成分保留在基质中的时间少于0.5秒。

21.根据权利要求14所述的方法，进一步包括将基质暴露到0.2到14微米的发射光谱光能中，从而以非直接方式加热基质。

22.根据权利要求14所述的方法，其中暴露于红外线能的基质表面成为二次发射体，吹扫空气将热量对流地传递给装载塔盘的基质表面。

23.根据权利要求14所述的方法，其中暴露于光能的基质表面成为发射体，从而将热量传导地传递给位于暴露于光能的表面上面的基质层。

24.根据权利要求14所述的方法，其中通过对流方式被加热的基质将热量传递给基质表面上面的基质层。

25.根据权利要求14所述的方法，进一步包括从含有放射性核素和无机金属成分的基质中分离有机化合物。

26.根据权利要求14所述的方法，其中所述真空范围从0英寸汞柱到29英寸汞柱。

27.根据权利要求14所述的方法，进一步包括回收成分的设备，为循环利用目的对这些成分进行提纯。

28.根据权利要求14所述的方法，进一步包括吹扫气体蒸气和要被冷凝并收集的成分的装置。

说明书

从基质中分离成分的设备

[0001] 自20世纪50年代早期以来，美国国防部(DOD)和美国能源部(DOE)的许多机构积极开发并制造了含各种放射性物质的核武器和核能部件。提炼核物质的过程和净化这些过程中所用各种设备以及其它伴有各种有机和无机物质的过程已产生了成百上千吨土壤、淤渣、有机物残渣或被放射性核素和各种有害和无害的有机和无机化学成分所沾污的其它残积物。美国环境保护局(EPA)已经将包括放射性核素、有害或无害废弃物成分的废弃物定义为混和废弃物。

[0002] 历史上，混和废弃物通常被原地存放在事先设计好的污染物区域中的容器内，或存储容器中，或处理到填埋池或地沟中。已经不再允许在DOD和DOE填埋池或地沟中处理混和废弃物。由于EPA规章的颁布，已经不允许在EPA批准的有害废弃物工厂或放射性废弃物工厂内对混和废弃物进行处理，除非成分相互被分离或分开。

[0003] 鉴于为了轻工业、商业或房地产业的再发展而使全国许多DOE和DOD工厂被停产并净化，由于DOE和DOD现正经历重要调整，因此挽救这些场所中混和废弃物的需求正在增加。大部分这些工厂含有土壤、淤渣或其它残渣，这些物质被EPA定义为混和废弃物。综合这些问题，已埋入地沟和填埋池的混和废弃物已经对这些地区存留的地下水产生重大影响。根据EPA规章这些地区必需得到挽救，EAP规章包含了对污染源物质(非液体基质)进行处理和挽救的大多数情况。

[0004] 本发明公开了一种方法，该方法能够将有害和无害的有机和无机成分从非液体基质中分离出来，且不会破坏放射性核素的稳定性或将其散布开来。分离后，放射性废物既可依照EPA规章在DOE或DOD工厂内处理，也可在EPA批准的放射性废弃物工厂处理。以这种方式处理废物能获得很好的经济效益。目前还没有完全可行的方法以成本有效方式合乎环境要求地实施这些废物的分离。

[0005] 除混和废弃物之外，仅美国自己每年产生的有害和非有害(化学污染)废弃物估计可达上百个几百万公吨的范围。全世界工业依赖于生产常规废弃产物的制造过程。这些废弃产物大量作为有害废弃物处理，这非常昂贵。这就需要通过将污染物从各种基质中分离出来而回收这些废弃物，以便重新利用某些原材料。这将使工业减少其产生的废弃物，降低运行成本，并遵守现行规章。

[0006] 由各种化学成分对公众健康和环境造成的危害已经公知并得到证实。破坏并分解高沸点有害废弃物的各种方法都非常昂贵。当成分本身按重量计算仅占体积的很小部分时，利用高级能量用热的方法破坏整个有害废弃物的成本性能非常不合算。此外，因为非液态基质由于与化合物相接触而受到污染，所以如果可能这些基质应得到重新利用或循环使用。对于被有害废弃物所污染的基质，通过分离通常占废物体积75％到90％的庞大非液态基质来减少需要昂贵破坏或分解方法处理的废物，其成本效能是比较合算的，其中所指有害废弃物例如PCBs、杀虫剂、除草剂、PCPs、二噁英、呋喃等等。

[0007] 因此，本发明提供一种经济的减少废弃物和资源重复利用的方法，以作为当前领域响应市场对能以合乎环境要求并节省成本方式较好地处理工业生产过程中的废弃物、混合废弃物以及有害废物流技术需求的选择方案。O’Ham(美国专利5127343，在此通过参考而结合其全部内容)教导了一种设备和方法，其使用分批处理法净化并清洁土壤，特别是含有例如为汽油、石油等石油烃的土壤，在该处理过程中土壤是稳定的。该处理过程是为响应来自汽车加油站和其它相关石油产品用户对石油烃污染土壤现场处理技术的巨大市场需求、响应《有害物质的地下存贮法案》的规章要求及相关规章(它要求挽救被石油烃污染的土壤)而特别设计的。

[0008] 先有技术还没有在基质装料和卸料过程中控制粉尘的方法。通常利用装载机将土壤从储料堆输送到处理设备。在该过程中污染物由于漏泄以及风吹动粉尘会散布开来。工作人员和可能的旁观者、或附近公众都很可能暴露于污染物以及污染物对周围环境的不可控释放。先有技术需要20％或更多时间的停工期来维护处理器。土壤直接被置入由过滤介质(砾石)所包围的筛网(真空管)上的处理单元中。筛网容易被堵，这需要时常在每批之间进行清理。进料门较低，以便能使装载机前端进入腔体、放置要处理的土壤、并升高以产生轨道，使加热器承载器滚动到处理腔体顶部。进料门铰链被基质和过滤介质所阻塞，因此它们在每批处理后必需得到清理。这些门由于该过程而容易被损坏，并由于土壤的穿过而变得几乎不可能空气密封，这导致处理不够充分。另外，对铰链的损坏导致通道门失去控制。当该情况发生时，加热器承载器的轨道也失去控制，导致加热器承载器从位于处理器该端的轨道上落下，使停工期加长。

[0009] 先有技术在处理过程中不可靠。通过固定床的气流是不均匀且变化的，导致要处理的基质中存在温度梯度。由于筛网被阻、砾石和装料门的不可密封产生空气旁路。此外，由于真空筛网直接设置在土壤固定床仅约50％表面区域的下方，致使整个土壤不完全处理或产生“冷点。”不均匀加热导致不充分处理。

[0010] 先有技术使用了昂贵的过滤介质，这些介质增大了废弃物堆放并增加了处理成本。

[0011] 先有技术需要昂贵的批间清理。净化过程通常不成功。这是由于基质直接安置在处理腔体内。基质被用力压入设备的进口区域。

[0012] 先有技术夹带了粉尘颗粒并将它们沉积在喷射控制系统内，这限制了空气流动，并引起额外的维护需求。

[0013] 先有技术仅能处理碳氢化合物。

[0014] 先有技术仅适于用热的方法清除碳氢化合物。

[0015] 对先有技术的评论说明先有技术仅限于从土壤中清除碳氢化合物，而论及经济、生态和安全问题，它就不适于处理各种挥发性的有机和无机化合物和高沸点化合物。

[0016] 因此，就需要一种经济并有利于环境的方法从非液态基质中分离出挥发性的有机和无机污染物，并收集这些污染物以便进行再循环或再利用。也需要一种系统执行经净化的非液态基质的再利用。该方法通过提供有利于生态的方案以较经济的方式减少废物流而产生社会效益。

[0017] 本发明提供了一种从基质中分离废弃物成分的设备，它包括：具有底部和顶部的容器，其中顶部具有排除气体的管道；以及加热所述容器内部的装置，该装置优选地位于所述设备底部。优选地，该设备进一步包括可拆卸的塔盘，优选为1到4个塔盘。该设备可固定安装，优选为可移动安装。在优选实施例中，该设备进一步包括通过管道抽吸气体产生真空的装置，其真空范围优选为从0英寸汞柱到29英寸汞柱。

[0018] 在优选实施例中，容器为矩形，它包括一到四个侧面，一个或多个塔盘的侧面实际上通过塔盘插入容器底部或底座而构成容器侧面。根据优选实施例，容器没有任何侧面。塔盘优选包括具有小孔的底部，以便使塔盘在底部支撑基质的同时还能使空气向上穿过小孔和基质。例如，该底部可以是滤网或开有槽。

[0019] 设备尺寸可以变化，这依赖于以下因素：要处理的基质量，处理场所的地点，或处理单元是设计成固定在场所内还是可移动的，在一个实施例中，塔盘具有(标准)尺寸、形状和容量，这样就可用叉车将它们移动并装入容器中。通常，对于大型操作，将塔盘设计成能从顶部装入基质，该塔盘具有至少约2.5立方码的装载容量。塔盘还包括位于铲车叉槽对立端的铰接闸门，其用于卸载处理后的基质。在另一个实施例中，设备适于小规模使用，例如，其中塔盘具有约1立方码的容量。

[0020] 根据一个实施例，设备进一步包括用于机械搅拌基质的装置。该设备进一步包括导入化学处理助剂的装置。

[0021] 在进一步实施例中，顶部或管道底表面包括高温硅或其它耐热衬垫，以便将塔盘封接到顶部或管道上，这样空气直接进入塔盘和塔盘内所含的基质，而不会进入塔盘周边区域。根据一个实施例，顶部可竖直移动。在另一个实施例中，管道可选择地包括1到100微米的干燥过滤介质，该介质能物理地分离吹扫气空气流中所夹带的基质颗粒。

[0022] 设备还可进一步包括远程监控所述设备运行状态的装置，该装置包括控制器系统和向计算机传送信息的变送器。

[0023] 本发明进一步提供了一种从基质中分离有害和无害的有机和无机废弃物成分的方法，它包括：将基质装入容器；加热基质；通过在基质上方形成真空而在基质内产生负压；以及将气体成分从基质中排出。基质选自放射性物质、工业生产废弃物流、土壤、淤渣、活性碳、催化剂、凝聚体、生物体、有机物残渣、吸附剂、钻井泥、岩屑等物质。例如，成分沸点的范围可从约30华氏度到约1600华氏度。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属及它们的盐。

[0024] 根据一个实施例，在从基质中分离成分的过程中不再通过热方法破坏或燃烧成分。该方法包括：通过对成分的冷凝或物理过滤或吸附处理而产生由基质分离出来的成分的可逆相变。在一个实施例中，当达到成分解吸温度后成分仅在基质中保留不到0.5秒的时间。

[0025] 该方法可包括：通过将基质暴露于由0.2和14微米间的发射光谱产生的光能中，从而以间接方式加热基质。在一个实施例中，暴露于红外能中的基质表面成为二次发射体，吹扫空气将热量对流地传递给装载塔盘的基质表面。在另一个实施例中，暴露于光能的基质表面成为发射体，并将热量传导地传递给位于暴露于光能的基质表面上方的基质层。该方法进一步包括通过对流方式加热基质，借此将热量传递给位于基质底表面上方的基质层。

[0026] 在一个具体实施例中，有机化合物从包含放射性核素和无机金属成分的基质中分离出来。该成分经过回收和提纯以便再循环使用。该方法进一步包括排出气体蒸气和要被冷凝并收集的成分的装置。在进一步实施例中，排出的气流在塔盘下方再循环，以形成基本封闭的循环系统。

[0027] 图1是本发明设备的侧视图。

[0028] 图2表示搅拌器塔盘的俯视图、仰视图和侧视图。

[0029] 图3表示实施本发明的过程中使用的固定或可拆卸塔盘的几个视图。

[0030] 本发明涉及从各种基质中分离有害和无害的有机和无机成分的方法。具体涉及利用一个或多个以下原理从基质中分离这些各种成分的方法，这些原理是：低温热解吸、辐射能、对流加热、传导加热、空气抽提、真空蒸馏、减压蒸发和通过加入化学助剂进行的化学蒸发等等。更具体地说，本发明涉及挽救各种基质的方法，处理的主要效果是减少废弃物和资源再循环利用的好处。优选地，本发明涉及挽救以下废弃物流领域的方法：(1)从放射性核素污染的基质中分离有害和无害的有机和无机化学成分而不会散布或破坏放射性核素污染物的稳定性，在从工业产生废弃物流中分离原材料、有害和无害的有机和无机化学成分；以及(2)从各种基质中分离有害和无害的有机和无机化学成分，这些基质包括但不限于淤渣、土壤、活性碳、催化剂、凝聚体、生物体、有机物残渣等。

[0031] 基质成分分离器(MCS)提供了一种可控气流分配器，这正是先有技术所缺乏的。基质成分分离器(MCS)能使通过固定或搅拌器塔盘中容纳的基质的气流和热量吸入平均分布，以便保证整个基质体积内所包含的成分能完全解吸。对于挥发性和半挥发性的有机和挥发性无机化合物的解吸，处理腔体内移动部分的省略提供了对设备很低的维护保养要求，并由此提高了产量并增加了相关经济效益。

[0032] 只要想要的话，该方法能使所有有害和无害的有机和无机化学成分从放射性污染基质中得到完全解吸、分离和收集，而不会散布所夹带的放射性核素，或破坏其稳定性。

[0033] 由于显著减少了需要进一步处理的废弃物的体积，基质成分分离器为有害成分的再循环、再利用、经济处理或进一步处理提供回收有害和有害的有机和无机化学成分和基质的高效率、成本节省的分离方法。

[0034] 本处理设备的设计使经济效益最大化，并最大限度地利用系统中产生辐射能的燃料。由于该过程在处理过程中不使用任何辅助燃料从基质中解吸化合物、或冷凝并收集从基质中解吸而产生的挥发成分，因此该处理过程的效率也比较高。

[0035] 全部过程使废物流的体积和质量显著并合乎需要地减少，然后以一定的经济效益再循环、再利用该废物，或以非常低的成本处置或处理该废物。由于本发明的方法提能从污染基质(包括基质自身)中分离、挽救、收集、纯化并回收工业品，因此通过本发明的方法能使向大气中发散或被填埋的化学污染物体积大量减少。

[0036] 先有技术涉及从顶部加热物质并向下将空气压入物质。该措施同物理定律相矛盾，并妨碍了处理过程。在先有技术中，由于从系统下方抽取空气，因此不能从加热器捕获对流热。可观察到大部分对流热从过程顶部升起并跑掉。MCS从底部加热土壤，热源(能量)充分排出，存在于整个系统的加热空气穿过基质。该过程效率高，并由于热量自然升起，所以不需要反向力驱动空气通过基质。上方的空气流动不会压缩或压实基质，这有利于大气流过基质。先有技术使基质被压实，这妨碍了空气流过系统和处理效率。

[0037] 由于将MCS工艺单元运输到要处理地点的成本要远低于将基质运输到处理场所并运回作为回填或再利用或处理这些基质场所的成本，因此MCS优选为便携式的。

[0038] 该方法优选由以下步骤构成：将基质装入底层有筛网的塔盘，其中该些塔盘被机械地安装在加热支架中，加热支架具有反射底层、三个竖直侧面和顶部朝向大气的开口；通过在容器顶部形成经过通常为松散压缩基质的上升气流而形成真空或至少部分真空；从底部加热基质，并向上向后抽取热气体或混杂气体；释放基质中的污染蒸气，并将它们从塔盘和管道机构中排出；如果需要就在空气喷射控制系统内收集污染蒸气；最后，将包含处理后基质的塔盘从加热支架中拆卸下来，并使其以可控制的方式冷却，同时处理另一套塔盘。一旦塔盘中所含的处理基质已经冷却，就以可控制的方式在塔盘内对其进行再水化处理。
然后将基质从塔盘中清理下来，以便减少短时排放或粉尘。

[0039] 抽取空气，使其经过系统的底层开口到达离加热源最远的点。该空气流动具有两个功能：(1)抽取经过加热源的对流热来加热未暴露给光能的非液态基质；以及(2)在处理腔体内减小蒸气压。其次，压力的减小降低了从被处理的基质中释放的污染物的沸点。可通过下面对某一物质已公知的经验公式表述蒸气压/沸点的关系，a和b值为已知，其中p＝毫米汞柱压力；T＝温度(开氏度数)；a和b为CRC化学和物理手册，69版，(1988)从D-212页开始中给出的常数。

[0040] Log10p＝0.05223a/T+b。

[0041] 这就能在低温下除去高沸点污染物。加热系统所需的能量仅为其它热处理系统所需能量的约四分之一。同样真空以物理方式产生作用。通过物理抽吸并使空气充满被处理的基质，经加热的空气将置换当前气体，并将现有气体吹扫出处理塔盘，这将增加系统效率。

[0042] 在本发明中，将各种废弃物基质装到在塔盘内，并安装到加热座上，风扇从系统抽取空气，对遍布在具有筛网的塔盘底部上的基质产生作用。启动加热器，均匀并充分地加热小于1英寸到超过3英尺深度内的基质。通常，被加热的基质深度在4英寸与18英寸之间的范围内。本领域技术人员能容易地确定加热有效深度，该有效深度受到例如加热源、基质物理特性等因素影响。从基质下方所有位置进入过程的外界空气也被加热，并从上方被抽取，空气穿过基质，同时将热量带到上层基质。加热与减压的结合将污染物从基质中分离出来，气流抽吸了从处理过程中分离的污染物进入喷射控制或收集系统。可搅拌基质，如果想要，处理过程实质上可以无需加热。

[0043] 该系统是用于从各种固态和半固态基质中分离有害和无害的有机和无机化学成分的批处理过程。这些基质包括但不限于：放射性污染基质、工业生产废物、土壤、淤渣、活性碳、催化剂、凝聚体、生物体、有机物残渣等。通过加热塔盘中的基质，同时吹扫大量空气或气体并使其穿过基质，从而将化学成分从基质中分离出来。吹扫气流流过一系列非破坏性排出物控制部件，该部件能通过物理分离、冷凝和吸收将化学成分从空气流中分离出来。在一个优选实施例中，本发明包括但不仅限于以下部分：

[0044] 干燥微粒过滤器

[0045] 冷凝系统

[0046] HEPA过滤器

[0047] 碳吸附

[0048] 液体洗涤器

[0049] 反渗透

[0050] 化学沉淀

[0051] 物理相分离

[0052] 聚结过滤器

[0053] 可参照以下附图标记描述本发明的设备：

[0054] 图2：

[0055] 1.轴支撑梁，它容纳了轴承和轴，轴并与基质混和螺旋片相连。

[0056] 2.开有槽的筛网塔盘底部，它容纳处理过程中的污染基质。

[0057] 3.混和螺旋片，它能穿过塔盘内容纳的基质运动，以在处理过程中促进基质混和。

[0058] 4.液压马达，用于驱动混和螺旋片。

[0059] 5.从动链轮，它能降低动力要求并驱动螺旋片。

[0060] 6.主动链，它将从动链轮连接到主链轮。

[0061] 7.主链轮，它与液压马达相配合，用于驱动混和螺旋片。

[0062] 8.保护罩，使液压马达能避开恶劣环境。

[0063] 9.液压马达，用于驱动混和螺旋片。

[0064] 10.链轮，它与马达配合，用于驱动混和螺旋片。

[0065] 11.主动链，用于连接将从动链轮连接到主链轮。

[0066] 12.从动链轮，它能降低动力要求，并驱动螺旋片。

[0067] 13.开有槽的筛网塔盘底部，它容纳处理过程中的污染基质。

[0068] 14.搅拌器塔盘，用于在加入化学助剂之前、之中和之后处理基质，以便处理某种无机污染物。

[0069] 15.混和螺旋片，它能穿过塔盘内容纳的基质移动，以便在处理过程中促进基质混和。

[0070] 16.高温支承轴承，它使从动轴转动。

[0071] 17.中央主动轴，其中安装了螺旋片。

[0072] 图3

[0073] 18.开有槽的筛网塔盘底部，它容纳处理过程中的污染基质。

[0074] 19.卸料门铰链，用于基质经处理后清除基质。

[0075] 20.卸料门的门，它能打开，以便卸出基质。

[0076] 21.卸料门插销，它能防止门在处理过程中打开。

[0077] 22.插入槽，能使铲车移动、装料、卸料并卸下塔盘。

[0078] 23.卸料门插销，防止门在处理过程中打开。

[0079] 24.卸料门铰链，用于基质经处理后清除基质。

[0080] 25.铲车采集槽，能使铲车移动、装料、卸料并卸下塔盘。

[0081] 26.开有槽的筛网塔盘底部，它容纳处理过程中的污染基质。

[0082] 27.底部筛网支撑体，用于支撑装入塔盘的基质重量。

[0083] 28.铲车插入槽，能使铲车移动、装料、卸料并卸下塔盘。

[0084] 28a.铲车插入槽，能使铲车移动、装料、卸料并卸下塔盘。

[0085] 图1

[0086] 1.过程燃烧器

[0087] 2.辐射炉管辐射器

[0088] 31.燃烧排气孔

[0089] 32.加热器座设备

[0090] 33.高温硅垫衬材料，它能将排气管道密封到塔盘顶部边缘。

[0091] 34.1到100微米的过滤器介质和支撑机构，该支撑机构作为物理阻挡层防止颗粒随气流进入系统。

[0092] 35.空气抽吸管道。

[0093] 36.液压缸，用以升起排气管道。

[0094] 37.排气口。

[0095] 38.土壤处理塔盘

[0096] 从各种成分中回收化合物，用于提纯、进一步处理、处置或再循环，且不会破坏化学成分。最后排出的气流既可以没有化学成分，也可以含有极微量的化学成分。该过程可用于从放射性污染固体中分离化学成分，且不会使放射性核素与化学成分混和在一起。

[0097] 在优选实施例中，本发明包括包含了多个加热器的底座，加热器优选为红外加热器，加热器安装在基质下方，并设置在便携式加热器机构中，这些加热器向上直接对着基质下表面。对于大多数应用，该设备还具有加热器底座，它被固定地安装到管道机构上。抽取鼓风机或真空泵提供使污染物通过基质向上运动的动力，污染物通过抽取鼓风机或真空泵排出，或如果想要可在空气排放控制系统内收集污染物。通过液压缸与该底座相连的是真空或排气管道。管道底表面被耐热衬垫材料所衬垫。利用液压方式将管道升高，以便将底部筛选基质的塔盘装到加热底座上，或将其从加热底座上卸下。一旦装上管道，上部管道降低，并封接到塔盘顶层边缘。这就使空气能穿过基质和塔盘被抽取上来，而空气不会散布到基质和塔盘周围。

[0098] 优选设备由五个主要部件构成：管道；处理塔盘；加热座；气体吹扫风扇；以及喷射控制系统。在一个优选实施例中，塔盘尺寸通常约为8英寸×8英寸×17英寸，塔盘包括有槽的平面不锈钢筛网。将废弃物基质装入筛网塔盘，将塔盘安置到加热器座上。

[0099] 加热器通常由1到4个或更多的塔盘插孔组成，并具有安装加热器的支架，在加热器座和管道之间有足够空间来插入塔盘。塔盘可升高降低以便帮助塔盘的装入和拆卸操作。一旦装入塔盘，并使管道降低，抽取风扇迫使吹扫空气通过基质，同时加热器辐射照射土壤。

[0100] 基质表面被加热，吹扫气流穿过基质，同时将暴露于光能的基质表面层的热量对流地传递给位于塔盘较深处的基质物质。塔盘内也发生传导热传递，其中基质颗粒与那些暴露给光能的颗粒以及那些已被对流加热的颗粒相接触。吹扫气流使平衡状态发生改变，其中汽化状态得到增强。基质中的化合物存在于固体、液体和蒸气的平衡态中。热移动了平衡从而产生更多的蒸气。这些蒸气由于吹扫空气蒸气的产生而被置换并被送出系统，因此当系统试图达到平衡状态时汽化状态得到进一步增强。

[0101] 基质组分分离器为将塔盘安装到储存区域作好准备，以可控制方式将整个包含基质和污染物的塔盘搬运到处理单元内，这不会散布污染物或释放短时排放。该新过程也消除了工人进入处理单元清除基质、用过的豆砾石过滤介质和真空管的需要。这显著减少了由于在具有重型材料的极热环境中工作而引起的与暴露给污染物蒸气和热应力、烧伤和令人不快有关的健康和安全问题。

[0102] MCS工艺过程能使以筛网为底的塔盘安装到支架上，同时消除了筛网阻塞、过滤介质被吸入门的问题和相关的维护保养停工期。由于该原因，MCS工艺过程完全没有停工期。对于具体塔盘上的筛网也需要一些维护保养，当其它塔盘在处理时可完成这些维护。而在以前的技术中，维护处理器导致产量损失。MCS工艺器中固定床的表面区域可整个设置在筛网上面，使其得到100％的覆盖。

[0103] MCS方法省去了装料门、促使空气均匀流过介质以及均匀处理。消除了对昂贵过滤介质的需求，降低了处理成本并减少了进行处置的残余废弃物。在MCS中，由于基质不会与处理装置接触，因此消除了所有这些问题。

[0104] 在MCS工艺中，5到10微米的物理阻挡层防止污染物和颗粒夹带和迁移到喷射控制部件内。这有助于简单而有效的净化。

[0105] MCS工艺装配有机械搅拌器，以便能通过混合和通过添加化合物而使用化学方法处理基质，其中添加剂用于蒸发或汽化污染物，该污染物是从塔盘中提取并在喷射控制系统内收集的。

[0106] MCS工艺可供处理后废弃物的可控再水化使用，以便控制粉尘并准备基质再使用。这在先有技术中是不能实现的。由于在其它塔盘经受处理时实施塔盘水化过程，因此产量不会受到影响。对于先有技术，水化不得不在处理腔体内进行，这样就不可能增加产量。此外腔体内水化过程导致水在腔体中蓄积，这将影响(增加)下一批的处理时间，从而影响产量。

[0107] 这样配置的MCS工艺能够利用传感器和热电偶监控基质温度、空气流动、压力和处理喷射控制部件。这能使操作者精确地控制处理过程。先有技术缺少这些控制，且不能可行地用在基质污染物容器中。过程控制的使用也减少了运行系统所需的工人数量，由此减少了潜在受到的健康和安全有害。这些优点将使系统更具成本竞争力。

[0108] MCS工艺是比先有技术更为经济和有效的处理设备。

[0109] 在两批间装上和卸下先有技术处理器的方法需要很长的停工期，这直接影响了该技术的生产效率和经济效益。与先有技术相比MCS方法的处理设计实现了相当大的生产效率和经济效益，在某种程度上由于装上和卸下具有基质的处理腔体导致两批间停工期缩短。

[0110] 在本系统中所有污染物都转化成蒸气并靠压缩空气由气流输送到喷射控制系统。因为吹扫空气体积过多，因此使用了一种装置，该装置能物理地分离已被夹带到吹扫气流中的颗粒。在塔盘衬垫上方的管道内安装了干燥颗粒过滤器，过滤器具有通常为1到100微米范围的空隙空间。该物理阻挡板能阻止这些颗粒并将它们从污染蒸气中分离出来。蒸气穿过冷凝器，在此蒸气冷凝为液体。从处理过程的这个阶段开始，蒸气和吹扫气体空气经过HEPA过滤器，该过滤器通常设计成能筛选出0.1微米的颗粒。吹扫气体穿过碳以便进一步净化。该气体最终排入大气或再导入吹扫空气流程。也可使用涤气器、阶段冷凝器等以达到分离吹扫气体蒸气的目的。

[0111] 为了分离，可机械搅拌塔盘中的基质并可向基质中加入化学助剂以加强处理或将污染物转化成更多的挥发态。利用螺旋片搅拌浆可实现上述功能，螺旋片搅拌桨能翻动塔盘以便混和基质。利用牵引杆也能实现该功能。

[0112] 通常，抽气扇仅能移动驱动系统的机械部分。在一个具体实施例中也可以改进该系统，其中利用搅拌器塔盘来处理某种化学成分。这些塔盘底部可被封住，以便使真空达到从约0英寸到约29英寸汞柱的范围。这能进一步加强平衡状态的移动。其结果是，化学成分从基质中分离出来，并在喷射控制系统中被收集，且不会被破坏。

[0113] 系统与使用塔盘搅拌器和/化学助剂的结合可分离无机和某种有机成分。可用非加热方式完成这些过程中的一些步骤。例如，如果基质在组成和渗透性方面相似，则将被氰化物的盐、或有机结合的氰化物所污染的基质装在静止塔盘内，如果不相似，则将基质放置在搅拌器塔盘内。硫酸、硝酸、盐酸或其它酸的加入会产生氰化氢气体，该气体从基质中被提取，并穿过碱洗气器生成氰化钠，然后收集氰化钠再循环使用。然后用苛性碱中和基质，使其适于再利用。

[0114] 通过首先酸化基质然后将其氧化得到基态金属的方法可以从基质中释放出汞、砷、硒以及其它过渡元素。氯化亚锡或硫酸盐的加入将产生氢化物气体，同时释放出要被收集并通过酸洗气器的相关化合物。

[0115] 用苛性碱提高PH值来除掉基质中的氨，在硼酸中收集这些蒸气。

[0116] 机械搅拌器由液压动力过程构成，该过程可以是位于塔盘底部下方的链条传动。塔盘表面包括两个螺旋片，该螺旋片骑过筛网底部。螺旋片在中央升高约2英寸，它能在犁过基质的同时抬起物质并混和物质。螺旋片安装在轴上，该轴伸到塔盘筛网下方。在筛网顶部下方轴具有与之相连的链轮。该轴通常位于塔盘中心。液压马达轴也贯穿塔盘的筛网底部。AC驱动链条连接这两个链轮。当马达轴转动时，从动轴转动推动螺旋片穿过基质。

[0117] 加热器座通常包括8到12个辐射加热炉，加热炉朝上面向基质。

[0118] 先有技术具有一系列的凹入腔体，其中插入了圆筒筛，圆筒筛一端与管道相接。要处理的土壤位于腔体底部和筛网上面。凹入区域和筛网很块就会阻塞。这使土壤不均匀受热，从而导致不充分和不均匀的处理。塞入筛网的土壤必需要人工清除，这引起了过程停工以及涉及工人健康和安全的问题。

[0119] 本处理过程不使用一系列具有筛网以及在处理过程中放置基质的凹入腔体。处理腔体与处理塔盘分离。腔体装备了安装容纳基质的塔盘的支架。塔盘具有自清洁的筛选底部，该筛选底部能自清洁卸料过程中发生的任何阻塞。

[0120] 液体沸点是物质分压等于其蒸气压时的温度。在最终处理温度和系统操作压力间存在直接关系。当系统运行过程中，随着压力减小，通过蒸发方式清除化合物所需的处理温度也降低。MCS利用了减少系统压力使沸点降低的原理。系统压力可从约0英寸汞柱降低到大约1英寸汞柱到30英寸汞柱的范围。表1表示水、丙酮、TCE和PCE这种关系的例子。

[0121] 表1

[0122] 降低压力下化合物的近似沸点

[0123]化合物 0英寸Hg下的沸点 25英寸Hg下的沸点
(华氏) (华氏)
水 212 72
丙酮 133 44
三氯乙烯 189 65
四氯乙烯 250 86

[0124] 按照真空度英寸汞柱的方式表示真空

[0125] 参照表1，容易看出沸点与系统压力之间的关系，尽管直接相关，但不是线性关系。用Claus ius-Clapyron公式表述该非线性关系：

[0126] 等式1p＝p*×exp-C C＝(ΔHvap)×(1-1)

[0127] R TT*

[0128] 其中：P*为温度T*时的蒸气压(atm.)；

[0129] p为温度T时的蒸气压(*a)；

[0130] R为通用气体常数(BTU/mol-*R)；以及

[0131] ΔHvap为汽化热(BTU/1b)

[0132] 为使等式有效作出三个假定：1)摩尔体积的改变量等于气体摩尔体积；2)气体为理想气体；以及3)汽化热的热函(ΔHvap)不依赖于温度。对于约25英寸汞柱压力下几种化合物，表1将表列数据中的沸点与用Clausius-Clapyron公式计算出的沸点作了比较。

[0133] 与气流相关的另一个重要参数为空气清洗。空气清洗为利用载气、空气从非液态物质中除去污染物的过程。从土壤中清洗污染物的速率取决于蒸气压和水中稳定性。利用Henry定律表述该过程，该定律可用下式表示：

[0134] 等式2Pa＝Xa×k(T)

[0135] 其中Pa为成分a的分压

[0136] k为温度为T时成分a的Henry定律常数

[0137] Xa为溶液中a的摩尔份数(Xa为少量)

[0138] 因此，在整个过程中都发生每种污染物的解吸，而不是仅在达到每种化合物的沸点时发生解吸。

[0139] 化合物的汽化过程由两步化学反应构成，这两步如下所示。

[0140] 等式3 C(1)T0 热量 C(1)Tbp[0141] ΔHt

[0142] 等式4 C(1)Tbp 热量 C(g)Tbp[0143] ΔHv

[0144] 其中：C为具有规定沸点(Tbp)的指定(纯)化合物

[0145] C(1)为处于液相并在某一温度T下的上述化合物

[0146] C(g)为处于气相并在某一温度T下的上述化合物

[0147] To为环境温度

[0148] Tbp为沸点温度

[0149] 在第一个反应中，污染物(或化合物)的温度升高，直到达到沸点。从初始温度升高到沸点温度所需的能量取决于热容量(对于液相)和污染物的量。例如，1磅液相水温度升高1华氏度需要1BTU的能量。第二个反应表示污染物达到其沸点后温度保持不变，而液体汽化。汽化热为从液相到气相产生相变所需的能量。对于水，汽化热为950BTU/1b(在212华氏度下)。所需的全部热量为单个反应热函的总和或ΔHt加ΔHv的和。

[0150] 基质中存在三种主要成分：1)污染物；2)水；3)基质自身。污染物和水经历两步汽化化学反应，而基质仅被加热。污染物以百万分之几(ppm)的浓度存在，水含量范围为10-20％，其余80-90％为基质。

[0151] 由于污染物以相对较低的含量存在，因此需要能量输入的两个主要部分为水和基质。如上所述，能量用于将水加热到它的沸点并持续加热使水汽化，并将系统加热到最终目标处理温度。因此，在确定达到目标处理温度所需的全部能量时，必需考虑基质和水(及它们相应的热容量)的相对量和取决于最高沸点污染物的最终目标处理温度。