CN101918309A - 碳基材料向天然气和活性碳的转化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将碳质材料加工成气体和活性碳的方法，所述方法包含如下步骤：将原料放置在流化床上；引导非氧化气体通过所述流化床；调节所述气体的速度，使得所述气体慢得足以将所述原料留在所述流化床上且快得足以除去活性碳和挥发物。

Description

碳基材料向天然气和活性碳的转化

技术领域

本发明涉及一种用于将碳基物质转化成天然气和活性碳的方法中的流体流动床，更特别地涉及流体不足(fluid low)的速率，且并入如下文献作为参考并要求优先权：2007年11月23日提交的标题为“闭环流化床闪蒸气化系统(CLOSED LOOP FLUIDIZED BED FLASH GASIFICATION SYSTEM)”的美国临时专利申请第61/004,082号和2008年7月28日提交的标题为“将活性碳和合成气变成柴油燃料的液化方法(LIQUIFICATION PROCESS FOR CHANGING ACTIVATED CARBON AND SYNGAS INTO DIESEL FUEL)”的美国专利申请第61/137,213号。

背景技术

长久以来，将煤用作燃料源。随着对替代燃料的寻找增加，几个发明人已经寻求涉及煤的使用的进一步开发技术。这些发明人开始认识到在煤中发现的天然气不限于煤，而是在各种形式的人造和天然存在的物质中发现，所述物质包括但不限于城市固体废弃物、污水、木材废弃物、生物质、纸张、塑料、危险废弃物、焦油、沥青、活性污泥(activated sludge)、橡胶轮胎和油基残余物。

问题一般不是人们应当在哪里寻找天然气，而是如何释放天然气。这就导致了几种不同的有限的气化液化技术。这些系统概括地包括下吸式气化、上吸式气化和流化床气化。

下吸式气化，也称为“顺流构造系统”，依靠重力来移动原料，所述原料或许是煤。燃烧体系与原料一起流动，从而使所得到的灰或炉渣落到底部。所述灰或炉渣是危险废弃物并原样进行处理。这种部分燃烧体系得到了低BTU气体，所述气体必须进行全面清洁。

上吸式气化，也称为“逆流系统”，使用鼓风机来引导所述原料向上通过所述系统。燃烧源通常沿着与所述原料相反或垂直的方向进行引导。灰和炉渣落到底部，此处其作为危险废弃物被收集。这是部分燃烧体系，其导致低BTU气体和焦油，所述气体和焦油必须在使用前进行清洁。

常规流化床使用沙子、炭或其一些组合。流体，通常是空气或蒸汽，经过沙子引导至其上面的原料。环境通常缺氧，从而导致部分燃烧。温度相对低，从而导致低BTU气体，所述气体必须在使用前全面清洁。灰是腐蚀性的，从而引起石灰岩的使用以使腐蚀影响最小化。流化床技术的一些实例如下：

Giglio(美国专利申请第2006/0130401号)公开了在循环流化床气化工艺中共同生产活性碳的方法。碳质材料在流化床中进行处理，从而形成合成气和炭。

在随后的步骤中，利用蒸汽和二氧化碳将炭变成活性碳。Giglio教导使用活性碳来清洁合成气并分离气体与活性碳。清洁过的合成气和固体在尘土中分离。Giglio使用分离器将活性碳和天然气与所述原料分离。即，通过流化床的气流没有用来根据密度分离碳质材料的成分。

Jha等人(美国专利第5,187,141号)公开了通过温和气化和氢化由煤制造活性碳的方法。首先将煤加热至水蒸发到低于挥发除去之间的温度。然后在主要是非氧化气氛中将干煤加热以挥发并除去所含的挥发性物质及产生炭。在第二步骤中，对炭进行氢化工艺以使碳活化。通过流化床的气流没有用来根据密度分离碳质材料的成分。

Ueno等人(美国专利申请第2003/0027088号)公开了处理可燃废弃物的方法。可燃废弃物包括纸张、塑料、煤、焦油、沥青、活性污泥和油基残余物。

可燃废弃物在约400～600℃的温度下碳化。碳化的材料然后在惰性气氛下经历约1000～1300℃的温度。这就赶走了挥发物并且可能使碳活化。碳化的产物被吹到排气例如挥发物中，以净化排气。(排气优选来自垃圾焚烧、发电站、炼钢电炉、碎片熔炉和烧结机。)尽管承认它们之中含有有害物质，但是仍将所述挥发物用作碳化步骤的热源。

流体流动的速率通常未经讨论，也没有考虑流体流量(flow rate)的益处。所需要的是在碳基材料向天然气和活性碳转化期间流化床中气体的流量，其得到了延伸超出燃烧或转化速度的有益结果。令人期望地，所述流量将需要悬浮在流化床上的材料与不需要在床上的材料分离。

发明内容

将碳质材料加工成天然气和活性碳的本方法可以包含如下步骤：将原料放置在流化床上；引导非氧化气体通过所述流化床；调节所述气体的速度，使得所述气体慢得足以将所述原料留在所述流化床上且快得足以除去活性碳和挥发物。

在优选的方法中，所述方法可以包含如下步骤：将原料放置在流化床上；引导过热的非氧化气体通过所述流化床；调节所述过热气体的速度，使得所述气体慢得足以将所述原料留在所述流化床上且快得足以除去活性碳和挥发物；使用所述活性碳让挥发物得到清洁，从而形成清洁的天然气和活性碳；将所述天然气和所述活性碳分离；将一部分所述天然气再循环回到所述流化床；收集所述天然气的未再循环的部分；及收集所述活性碳。

有利地，连通远离流化床的增压舱相对于流化床可以处于升高的位置，以允许挥发物与活性碳直接混合，从而得到清洁的天然气和活性碳。

作为另一个优点，所述速度使得流化床保持有碳质材料的新鲜供应并且自身将加工过的材料从流化床上清理掉(purge)。

作为又一个优点，所述方法完全没有水和氧，其导致部分燃烧，例如炭化，或完全燃烧，例如灰，因而使得碳质材料直接转变成活性碳。

作为又一个优点，所述速度象重力分离器一样发挥作用，所述重力分离器依靠所述原料与活性碳和挥发物的混合物之间的密度变化。

这些优点和其他优点将会通过阅读以下描述并参照附图而变得清晰可见。

附图说明

图1为示出本发明方法的流程图；

图2为示出本发明设备的框图；

图3为示出本发明方法第一工艺的流程图；

图4为示出本发明第一处理器的示意图；

图5为第一处理器的流化床的平面视图；

图6为第一处理器的气塞的示意图；

图7为示出本发明的鼓风机总成(assembly)和密封总成的部分剖视图中的侧视图；

图8为本发明的鼓风机外壳总成的俯视图或仰视图；

图9为本发明的鼓风机密封总成的仰视图；

图10为本发明的鼓风机密封总成的俯视图；

图11为本发明的外壳和鼓风机总成的沿图7的线11a-11a和11b-11b的部分剖视图的右侧部分；

图12为示出本发明第二工艺的流程图；

图13为示出本发明第二处理器的各种部件的示意图。

这些附图是以本发明的最佳形式呈现的，不得被视为旨在就任何方面加以局限。

具体实施方式

定义

紧挨着在下面定义的以下术语在整个说明书和权利要求书中都具有该含意：

活性碳：	一种多孔的晶体结构，主要由贫氢的碳制成。活性碳内部的碳-碳键合可能会有所差异，包括成链状和环状的单键、双键、三键及四键结构，并且可以包括在活性碳中随便发现的并且遍及整个活性碳的单体和聚合物。活性碳并非是通过涉及炭或灰的中间步骤获得的或通过燃烧获得的。
		活性炭(activatedchar)：	并非真正的活性碳，而是无定形碳化合物。活性炭可能有炭化的中间步骤，并且涉及部分燃烧。
无定形碳：	没有特定结构排列的碳化合物。无定形碳可被氢化，或者可能会处在贫氢的状态。
		炭：	炭是基本上贫氢的无定形碳结构。通常发现炭是包括化石燃料和生物质的有机化合物因氧的部分缺乏而不完全燃烧的副产物。
结晶碳：	具有确定结构的碳化合物。结晶碳可被完全氢化，或者基本上缺乏氢。这里所使用的结晶碳和无定形碳是相反的术语。
		柴油：	燃料，其平均可用化学式C12H23来表示，但却是通常介于C10H20至C15H28之间的烃的混合物。

原料：	任何碳基材料，优选但不限于煤和活性碳。原料应经过干燥，并且直径范围可以在1/16至5/8英寸之间，当用于优选模式时，优选在1/8至1/4英寸之间。
		气体：	物质的三种状态之一，并不必表示可燃的物质。本发明旨在用于可燃气体的制造，其中可燃气体是打算使用的术语，将使用术语可燃的、天然的、柴油或其他这种区分性术语。
贫氢的碳：	缺乏足以不经过氢化就将其转化成柴油的氢的碳化合物。
		天然气：	从原料中得到的或由比用于柴油燃料的更短的碳链如甲烷和乙烷制造的可燃材料。天然气在该术语普通和常见的用途内使用。
挥发物：	从原料中得到的气态材料，其通常是可燃的。尽管挥发物中可能会包含痕量的非可燃材料，但是含量可能是痕量或以下。(在试验中没有发现任何非可燃材料。)在第一挥发物的可试验数量中的成分完全是清洁的天然气。第一挥发物通常是90％以上的甲烷，其余为略长的烃。第二挥发物目前未检测到，但据理解会包含天然气和比天然气长且比柴油短的烃。

描述-综述

通过各种组件最容易理解本发明，但也可将其结合、整合或以其他方式构成可理解的完整设备10。以下详细描述各种组件及其各自的工作方式，组件包括第一处理器130、鼓风机210和第二处理器410。在组合的条件下，这些组件130、210和410将原料12加工成柴油燃料14和天然气16。包括天然气16和活性碳18的中间副产物可按照用户确定的量任选地收集。在本节中，描述-综述是对整个过程的观察，并且得到以下描述的第一处理器、鼓风机和第二处理器的支持。

始终采用的附图标记部分是根据其中使用该附图标记的组件来确定的。当附图标记被选择用来描述整个设备10的时候，部件号为两位数；当提到第一处理器130的时候，部件号为三位数，第一位为1；当提到鼓风机210的时候，部件号为三位数，第一位为2；当提到第二处理器410的时候，部件号为三位数，第一位为4。诸如活性碳、天然气等的成分具有多个数字，第一位表示该成分被讨论的章节，而后两位对应于适当章节中的其他内容。

本发明制造柴油的方法可以包括以下步骤：提供原料12，图1中的步骤30；加工原料12，以制造贫氢的碳材料20和第一挥发物24，步骤32；氢化贫氢的碳材料20，步骤34；及将经过氢化的贫氢的碳材料20加工成第二挥发物26和柴油14，步骤36。

在外延和术语方面换一种说法，本发明制造柴油的方法优选包括以下步骤：提供原料12，其包含贫氢的碳材料20；及将贫氢的碳材料20加工成挥发物22和柴油14的混合物。可以包括以下中间步骤：将原料12加工成第一挥发物24和贫氢的碳材料20的混合物；及将贫氢的碳材料20加工成第二挥发物26和柴油14的混合物。第一挥发物24和贫氢的碳材料20的混合物，可能是天然气16和活性碳18的混合物；而第二挥发物26和柴油14的混合物，可能包含天然气16、比天然气16更长且比柴油14更短的烃以及柴油14。

原料12可选自煤、活性碳、炭、生物质和其他碳基物质。贫氢的碳材料20一般是活性碳18，但也可能是任何结晶、无定形或组合结构的碳，其包括但不限于各种炭。第一挥发物24优选是天然气16。第二挥发物26尽管含有天然气16，但却含有比天然气16更长的烃。

本发明用于制造柴油14的设备10可以包括原料12；第一处理器130，该处理器130适合于将原料12转化成贫氢的碳材料20和挥发物22的混合物。鼓风机210优选与原料12流体连通，并经调节而将原料12与贫氢的碳材料20和挥发物22分离。鼓风机210希望部分地处在第一处理器130之内、并部分地处在第一处理器130之外。任选地，第二处理器410可操作地连接至第一处理器130，并适合于将贫氢的碳材料20转化成柴油14和挥发物22的混合物。

在外延和术语方面换一种说法，用于制造柴油14的设备10可以包括：包含贫氢的碳材料20的原料12及适合于将贫氢的碳材料20转化成柴油14和挥发物22的混合物的处理器410。

描述-第一工艺/处理器

附图标记110-126用于表示工艺步骤，示出在指定图3的流程图-上。附图标记130至300用于表示设备组件，示出在图4至图6上。

将原料134加工成第一挥发物154和贫氢的碳材料157的本方法可以包括第一步骤110，选择原料134，如图3所示。用来产生原料134的合适的材料包括但不限于：煤、城市固体废弃物、污水、木材废弃物、生物质、纸张、塑料、危险废弃物、焦油、沥青、活性污泥、橡胶轮胎和油基残余物。煤是优选原料。煤的等级并不重要，因为这并不是涉及部分或完全燃烧的工艺。然而，包括煤的潮湿的材料应该加以干燥。

然后，原料134被放到流化床144上，在图3上表示为步骤112。该步骤优选以受控的方式进行，以免氧和/或水随着原料134一起进入。例如，原料134可通过气塞系统135进入。

气塞系统135可以包括进料斗136、螺旋钻138、旋转气塞140及带有套筒142a和小孔142b的滑动门142。来自进料斗136的原料134被螺旋钻138导入至旋转气塞140。转动旋转气塞140，将原料134下降到滑动门142的小孔142b。通过套筒142a，滑动门142的振动将原料134导入至斜槽184上，在那里原料134掉到流化床144上。在到达斜槽184时，原料134会遇到略微增加的大气压力。这种加压的气氛确保通过气塞系统135的任何气流都保持向外的方向，而不是向内。其他气塞系统都是本领域的普通技术人员所熟知的，可代替这里所公开的气塞系统135使用。

原料134悬浮在流化床144的过热的天然气149中。悬浮在流化床144上的原料134应以这种方式悬浮：使得原料134受到处于气态的物质例如过热的天然气149支撑。原料134漂浮在气流中。被导向原料134的过热的气体149形成气流而且是优选的气态物质。

参见图3上的114，过热的天然气149被引导通过流化床144，该流化床144将原料134转化成第一挥发物154和贫氢的碳157。贫氢的碳157优选是活性碳156，而对于活性碳156的描述也适用于贫氢的碳157。考虑到原料的粒度，需要选择温度，因为挥发物154应都被足够快地释放，以便将碳活化。原料134的直径应介于1/16至5/8英寸之间，直径尺寸优选介于1/8至1/4英寸之间。这可以被称为急骤加热。过热的天然气149是清洁的，可以是由本公开的工艺获得的天然气149，这里称为再循环。过热的天然气149可被加热至1000-1500°F的温度，优选为1000-1200°F。这些温度之所以理想是因为它们将原料134急骤加热，快速地例如在数秒内去除挥发物。挥发物154的快速蒸发、膨胀将碳活化。

参见图3的要素116，过热的天然气149的速度被调整到这种状态：天然气149慢到足以使原料134留在流化床144上，快到足以去除活性碳156和挥发物154的混合物。基于材料的密度，例如密度较小的物料吹跑(以受控的方式)，该速度分离了原料134、活性碳156和挥发物154。原料134的密度大于活性碳156，而活性碳156的密度则大于挥发物154。因而设定气流的速度，以便将密度较小的材料，例如挥发物154和活性碳156的混合物，送入第一增压舱(plenum)152，让原料134保留在流化床144上，用于进一步加工。该速度慢到不会去除原料134。随着流化床144继续将挥发物154与原料134分离，原料134直接转化成了活性碳156，而无需炭化的中间步骤。由于缺氧，该系统不会部分或完全燃烧，因而不会形成炭或灰。流量取决于流化床的大小。很小的床可以具有10立方英尺/分钟的流量；而很大的床可以具有20,000立方英尺/分钟的流量。理想地，速度介于5500-6500立方英尺/分钟之间，最优选是大约6000立方英尺/分钟。

置换器(displacer)182可布置在斜槽184中，或许是可垂直振动的，可用于调节开放区域即流化床144的大小。这又提高了天然气149的速度，假定总流量例如移动的体积维持不变。置换器182有助于更高效地从流化床144上去除碳，并保持流化床144更加清洁。实际上，置换器182实现的效果胜过通过使用一台或多台鼓风机168提高性能来改变速度。优选的鼓风机168如下在标题为描述-鼓风机这节中所述。

活性碳156和挥发物154从流化床144混合在一起，直至将要讨论的涡流分离器158，参见图3的要素118。在挥发物154和活性碳156的混合物(或混合的收集物)中的活性碳156，被允许用来清洁挥发物154，以便形成清洁的天然气149和活性碳156。有害化合物如汞、氯和硫的化合物，汇集在一起，被活性碳156收集起来并存储在其中。在原料134通常是煤中所发现的有害化合物已知只有在燃烧或被施加强酸的条件下才会释放，而在本发明中，这两种情况都没有发现。所以，可以相信：有害化合物不会从原料134中释放，而是保留在活性碳156中，永远也不会成为挥发物154的一部分。对本工艺的试验没有表明挥发物154中有任何有害化合物，而离开流化床144的挥发物154是清洁的天然气149。应该指出的是，原料134可能含有可燃气体，其会是挥发物154，但却是比天然气149更长的碳链。然而，却允许进行清洁，限度为任何有害物质的确能够释放。可以尽早开始采用活性碳156来清洁挥发物154以便形成清洁的天然气149和活性碳156，至少当从挥发物154和活性碳156正要离开流化床144时开始，清洁过程一直持续到完成为止。

在涡流分离器158中，将活性碳156与天然气149分离，参见图3中的要素120。涡流分离器158的大小和方式都是本领域的技术人员所熟知的。天然气149可通过连接至涡流分离器158的第二增压舱162，用鼓风机168抽取，而活性碳156则从分离器158的底部沉淀出来。所得到的天然气149为中度BTU天然气(1000Btu/SCF)。从涡流分离器158的底部收集到的活性碳156可被冷却、筛分、分级/加工并包装待售，或者可保持受热并用于如下所述的第二处理器410。活性碳156的直径尺寸在粉末至1/4英寸之间变化。活性碳156可在封闭式冷却传送带中加以冷却。

在图3中的再循环步骤122，大约10％的一部分天然气149会被再循环回到流化床144；大约5％或更少的一部分天然气149会再循环进入燃烧器180进行燃烧，燃烧器180用于过度加热流化床144的气体。没有再循环的那部分天然气149可被收集，如图3中的步骤124所示。收集步骤124可以包括：将天然气冷却、压缩和包装待售。从涡流分离器158的底部收集到的活性碳156可包装待售，如图3中的步骤126所示。

以上公开的是将原料134加工成天然气149和活性碳156的优选方法。该工艺并非是燃烧或部分燃烧的工艺，而是基于温度和密度的分离工艺。以下描述的是实施所公开的工艺的优选设备130。将参考图4。

处理器130可有被连接到气塞系统135的进料斗136。气塞系统135可有螺旋钻138、旋转气塞140和滑动门142，该滑动门142位于套筒142a中并限定了小孔142b。螺旋钻138从进料斗136汲取原料134并将其导入旋转气塞140。转动旋转气塞140将原料134降落到滑动门142的小孔142b中。振动套筒142a里的滑动门142让原料134降落穿过小孔142b，掉入斜槽184再掉到流化床144上。

可使用本领域的普通技术人员所熟知的替代性气塞系统135。没有空气或水分通过气塞系统135。这两种情况都会导致燃烧，而燃烧不是本工艺的部分。

在气塞系统135以后，原料134到达流化床144。通常，流化床都是依靠沙子或炭作为气体通过的床。本发明采用金属炉蓖146，它通身遍及小孔148；小孔148比原料颗粒134小。通过流化床144引导的天然气149(还可以使用不含氧的替代性气体)被过度加热至上述温度，。天然气149可通过一个或多个床导管151引导，床导管的数量选择应使天然气以均匀的速度保持移动，而基本上没有死点。上述的速度使原料134悬浮，并将挥发物154和活性碳156吹入第一增压舱152。原料134处在流化床144上，而过热的天然气149则通过了流化床144。

通过流化床144的天然气149具有速度。将该速度调节至这样的点，即天然气149慢到足以使原料134留在流化床144上，但快到足以去除挥发物154和活性碳156。这样一来，天然气149流就成了让原料134与活性碳156和挥发物154的混合物分离的分离器，这种分离的发生是基于密度。

允许挥发物154和活性碳156在第一增压舱152里混合，以便清洁挥发物154，假如任何有害化合物被释放到清洁天然气149当中的话。(试验后，没有发现有害化合物在该工艺期间和本文所述的设备中的任何点上被释放，所以挥发物154是清洁天然气149。)增压舱152与流化床144流体连通，作为从中分离的挥发物154和活性碳156混合物的接受器。与流化床144流体连通的第一增压舱152可以布置在高于流化床144的点并且具有一定尺寸和适合于接受挥发物154和活性碳156。允许其余的挥发物154与第一增压舱152里的活性碳156分离，第一增压舱保持在流化床144的温度或其左右。

第一增压舱152倒空到涡流分离器158中，涡流分离器158是挥发物/活性碳分离器138。涡流分离器158优选被加热以保持天然气149的温度。涡流分离器158基于比重分离挥发物154(天然气149)与活性碳156。(注意：挥发物154，在与第一增压舱152里的活性碳156混合后，是清洁天然气149，而且在第一增压舱152之后，挥发物154和天然气149就是可互换的术语了。)本质上，活性碳156从涡流分离器158底部的小孔160掉出。挥发物154被抽入第二增压舱162，该第二增压舱162设计用于冷却、压缩、再循环、包装天然气，现在将要对其描述。

第二增压舱162可以包括被安置用来保持或调节天然气149速度的一个或多个鼓风机168。第二增压舱162分别与第三增压舱164和第四增压舱166连接。大约10％的一部分天然气149会被引导通过第三增压舱164，到达热交换器170，并返回流化床144。(隔热层147可环绕流化床144或整个设备130。)在天然气149进入流化床144之前，热交换器170过度加热天然气149。其余大约90％的那部分天然气149被导入第四增压舱166，在那里这部分天然气可与冷却用热交换器172、低压压缩机174和大容量储存器176相互作用，准备出售。气体管道178从大容量储存器176导向与热交换器170相联的燃烧器180。燃烧器180燃烧天然气149并向热交换器170供热。来自燃烧器180的燃烧过的气体可被向上导入烟囱150。

第一处理器和第一工艺是以本领域的普通技术人员参照构成本文中的公开内容一部分的附图可理解的方式公开的，据发明人所知其描述了创造和使用本发明的最佳方式。本领域的普通技术人员将会看出在不偏离如所附的权利要求书所阐明的本发明的精神和保护范围的条件下可以进行改变。

详细描述-鼓风机

带有环境密封物210的该高温鼓风机可以包括鼓风机总成220、轴242、马达246、外壳总成260和密封总成280。这些组件协作形成适合在高温环境下工作的鼓风机210，其中鼓风机210和马达242需要在单独的气氛下工作。这些组件将按顺序讨论。

鼓风机总成220可以是本领域的技术人员所熟知的任何鼓风机总成。图7所示的是顶板222(也示于图8中)、底板224、包装板(wrapper)226、出口板228和出口230，它们协作以限定外壳232。图8所示的顶板222可以是与底板224相同的形状。外壳232限定了室234，在那里风扇叶片236使气体以气旋方式移动，并引导气体通过出口板228导出。所以，气体会通过入口板238进入，加速并通过出口板228限定的出口230移出。在外壳232里，可以是风扇叶片236和三脚架240。

轴242与三脚架240连接，后者又与风扇叶片236连接。轴242在鼓风机总成220的底板224穿过轴口(shaft opening)244，然后穿过外壳总成260和密封总成280，连接到马达246。马达246转动轴242，从而影响风扇叶片236的运动，将气体通过入口238导入，并通过出口230导出。各种结构性支架248都可提供鼓风机总成220和马达246之间的支撑。轴承250可使轴242相对于马达246稳定。所示的外壳总成260被连接到密封总成280，后者又被连接到底板224。密封总成280上的凸出部252，可凸入鼓风机总成220。

图9-11示出的是外壳总成260和密封总成280。从图9和10可以看出，外壳总成260和密封总成280基本上是圆柱形，但也可以包括突起，以便螺栓或其他固定器可以穿过。

转向图11，外壳总成260可以包括外部外壳262，后者用于裹住轴承264。轴承264还可以包括轴承套筒266，其将轴242啮合在与滚珠轴承268相对的一侧。润滑孔270优选提供与滚珠轴承268的流体连通。外壳总成260与密封总成280连接，也许利用固定器272。

应当注意的是，从横截面来看，基本上是圆柱形的外壳总成260和密封总成280基本上是对称的。为了提高清晰度，只有一半的横截面，例如整个横截面的四分之一，与轴242的一部分共同示出在了图中。

密封总成280可以包括第一外壳部分282和第二外壳部分284，它们协作来限定冷却剂通道286。具有不同的直径的O-形环288、290为第一和第二外壳部分282、284之间提供了密封。没有示出的小孔，优选处在与密封总成280相对的一侧。以这种方式，冷却剂292可被导入冷却剂通道286，沿着密封总成280的每一侧流动，并从出口流出。

处在第一和第二外壳282、284与轴242之间的，是套筒294。套筒294会增加旋转支撑，并与轴242一起旋转，而且在一端带有凸缘(collar)296，在另一端带有内压盖(inner gland)295。凸缘296通过垫片297固定，后者可通过至少一个螺栓298固定到第一外壳282。内压盖295可让可能穿过轴口244的被加热的气体被收入室299中。室299紧邻第一和第二外壳部分282、284布置在与冷却剂通道286相对的一侧，从而限定它们之间的热交换器300。室299里的气体保持相对停滞，因为没有出口，并相应地被冷却剂292保持冷却。非故意的出口被将要描述的O-形环和外压盖里的油密封着。

处在套筒294里的橡胶O-形环302，防止已穿过轴口244的气体进一步沿着轴242移动。优选由方格薄片(graphfoil)制成的垫圈304，防止已穿过轴口244的气体沿着第一和第二外壳部分282、284的外侧泄漏。因此，O-形环302和垫圈304防止已穿过轴口244的气体移动，除非是进入室299。阻止气体从室299中泄漏的密封物被嵌入了经机械加工的外壳306，以便维护套筒294。

经机械加工的外壳306维护着套筒294，使其对准轴242和密封总成280。紧邻凸缘296布置的是唇形密封物308。唇形密封物308可布置在含有油312的空腔310内，油312作为润滑剂和密封物来防止来自鼓风机总成220的气体从密封总成280中泄漏。唇形密封物308旋转地固定套筒294的一端。油312充当相对于密封总成280保持静止的部分如唇形密封物308与随套筒294旋转的组件之间的润滑剂，如下所述。

图11示出了从右到左移动的销钉314，它将接合环316固定到密封总成280上。接合环316优选由碳化硅(金刚砂)制成，以便达到其强度、摩擦系数和受热性。O-形环318防止气体围绕进一步密封室299的接合环316移动。唇形密封物308、销钉314和接合环316不会随着套筒294一起旋转，相应地用油312润滑。

示出弹簧320相对于固定器322和圆盘324倾斜，并处在它们之间。圆盘324将弹簧320的力传递给准质环326。弹簧320、固定器322、圆盘324和准质环326随着套筒294一起旋转，并沿远离唇形密封物308的方向给套筒294施加压力，由此随着套筒294与轴242一起旋转向套筒294提供可靠的控制。准质环326与接合环316之间的接触点用油312来润滑，因为两个环326、316会彼此相对地移动。固定器322可将准质环326固定到套筒294上。可任选地提供O-形环328，以便进一步密封来自鼓风机总成220的气体，防止其从室299中泄漏。

人们从参照附图阅读上面的内容可以看出，来自鼓风机总成220的被加热的气体，通过各种O-形环、垫圈304和油312被有效密封在室299中。因此，气体保持停滞，不会将来自鼓风机总成220的热传递给O-形环。然而，轴242可以是导热的，能够将来自鼓风机总成220的热和来自紧邻电机246的部分轴242的冷却效应传递给密封总成280。由于O-形环，尤其是O-形环302比电机246更靠近鼓风机总成220，所以它可能会被加热，尤其是在极端温度变化的情况下。然而，热交换器300将来自轴242和套筒294的热传递给冷却剂292，保持O-形环，尤其是O-形环302在安全的工作温度下。

在使用中，鼓风机210包括鼓风机总成220和被连接到鼓风机总成220的密封总成280。密封总成280还可以包括至少一个密封物，例如O-形环302、328、垫圈304或油312和冷却剂292，冷却剂292至少与密封物的一部分热连通。鼓风机210可处在两种单独的环境下。第一环境可以有第一温度并含有第一类型而不是第二类型的某种气体；第二环境下可以有第二温度并含有第二类型而不是第一类型的某种气体。

例如，鼓风机210优选的使用方式是：使鼓风机总成220处在第一处理器130内，其中温度至少是1000°F，最可能是大约1200-1500°F，并含有作为可燃气体的气体。密封总成220和电机246可处在这样的环境下，其中温度不超过100°F，而且周围的气体已被氧化。借助旋转将鼓风机总成220连接到电机246的轴242，可同时穿过第一和第二环境，而不会将二种环境相互混合。密封物防止来自这两种环境的气体相互混合，冷却剂292使这两种环境保持在优选的工作温度下。(注意，将氧与过热的可燃气体混合可能会导致不希望的燃烧，并且电机246优选在100°F或更低的温度下工作地更好)。

希望是水的冷却剂292可以是任何导热的可流动材料如防冻和温度可调节的气体。冷却剂292可与各密封物热连通，也许是在水套如冷却剂通道286中。作为选择，密封总成也可带有与各密封物发生热连通的任何其他热交换器300。

在操作中，电机246旋转轴242，后者旋转风扇叶片236。密封物如O-形环302、328、垫圈304或油312防止围绕鼓风机总成220的气体与围绕电机246的气体相互混合。与各密封物发生热连通的流动的冷却剂292保持这样的温度，在该温度下各密封物不会退化并仍可工作。也就是说，让热交换器300与各密封物热连通将各密封物保持在可工作的温度下。

以完全地公开创造和使用本发明的最佳模式的方式，参照附图描述了鼓风机。在不偏离本发明的精神和保护范围的条件下，可进行实质性和材料的改变。例如，鼓风机总成220可处在过冷却而不是过热的环境下，在这种情况下电机可能需要保持被去除。

详细描述-第二工艺/处理器

第二处理器(燃料加工设备)410可以包括产生机构420和转化机构430。转化机构430可进一步包括还原(reducing)机构440、氢化机构450、微波460、催化剂470和蒸馏装置480。提供了流程图图12以示出第二工艺中的各个步骤，并概括地对该工艺做了彻底讨论。

适当的微波460、催化剂470和蒸馏装置480描述于参考文献，仿生微燃料技术公司(Bionic Microfuel Technologies，A.G.)2007年1月20日的“热催化解聚(Thermal catalytic depolymerization)”(第15版)。通过参考将该描述纳入了本公开。将对这些组件逐一描述。

示意地示于图13中的产生机构420制造原料422，其可以包括活性碳424、炭426、煤428和/或其他贫氢的物质。适当的产生机构420包括在公开的市场上购买的原料。如上所述在第一处理器130中制造原料422。通过以参考并入本文中的现有技术中描述的方式或本领域的技术人员熟知的方式制造原料422。

转化机构430的还原机构440将原料422变成所需百分比的无定形碳442。活性碳424预计在批量431中始终保持一致，范围可以是从100％无定形至100％结晶及其间的任何情形。无定形碳442和结晶碳444优选占原料422的全部，即100％。活性碳424可被转化成无定形碳442，以便更完全氢化。相应地，可提供试验设备446来检测在原料422的批量431中的无定形碳442的百分比浓度和结晶碳444的百分比浓度。该试验设备可以是X射线结晶学粉末衍射(SDPD)，其公开在由诸如Inel、Rigaku MSC和Bede科学仪器有限公司发布的信息中，或者以本领域的技术人员熟知的任何其他方式进行。

结晶(活性)碳444可能需要非晶化或解聚，这可在下述的微波460中进行。相应地，可以使用百分比无定形碳442对结晶碳444的知识来确定该工艺、停留时间和向结晶碳444施加的能量，从而以最低的资源消耗得到无定形碳442的所需百分率。无定形碳442的所需水平可以是100％或者更低的数值。

还原机构440可以包括下述的微波460，或者可以是任何来源的热、化学解聚/非晶化和/或本领域的普通技术人员熟知的制造无定形碳429的其他方式，包括缺氧的(oxygen starved)过度加热。

原料422至少有缺少或基本上缺少氢原子的可用的部分，这是柴油490产生所需要的。基本缺少是指没有足够的比例来防止在柴油490中烃的完全形成。相应地，氢化机构450将氢原子与碳原子相结合，而碳则是原料422例如活性碳424、炭426、短烃链(天然气)和/或煤428的形式，并且具有无定形碳442或结晶碳444结构，优选是无定形碳442。这种化学反应是吸热性的。氢化机构450可以包括热源452和氢气或任何其他适当的氢源454。热源452可呈现原料422的形式，原料422被预热至340°F至650°F之间的任何点的温度并包括产生机构420和微波460，或被微波460加热。在原料422被加热至340°F或更高的温度的同时，原料422经受氢气454。碳、氢及其组合在高温下呈挥发性，以便氢化。相应地，原料422可保持在碳的闪点或更低的温度下，优选300℃或更低的温度下和/或保持在非氧化的气氛中。

例如，如果产生机构420是如上所述的第一处理器130，则涡流分离器中的活性碳424处在高温下，并且本身可在非氧化的气氛下经受氢454。如下所述，微波460中的原料422保持在足够的高温下，300℃或者更高，并且可以在那个点经受氢气454。布置氢化机构450的优选点是在微波460中，因为原料422被还原成了无定形碳442，提供了更高的氢化和最终的柴油燃料490的收率。

在原料422存在的情况下、优选氢气454存在的情况下，微波460与催化剂470共同作用。相应地，微波460与催化剂470是结构并且适合于聚合比12烃更短的烃，将活性碳424还原成无定形碳442，将处在无定形碳442或结晶碳444结构的活性碳424、炭426和/或煤428氢化，及断开大约12至14个碳长度或其左右的氢化碳链。还原机构440、氢化机构450和微波460可以是如图13所示的独立的单元，也可以是在微波460中合并成单一单元，优选是合并。通过试验，基于1/4英寸至3/8英寸的优选粒度，优选工作参数是：频率为2.45千兆赫，停留时间为1秒至10分钟。优选的催化剂470为沸石(氧化铝-硅酸盐)。

聚合工艺可以包括真正的聚合工艺，其中双键键合到其他碳原子上的碳原子，就像在活性碳424中可能发现的情况一样，将双键断开，而产生连接其他单体的位置。聚合还可以包括打破活性碳424的晶体结构、环等，从而暂时形成长度各异的被拉长的烃链例如无定形碳442。

沸石催化剂470对频率2.45千兆赫的微波做出响应。这时，沸石470将原料422聚合，形成带有另外空的键合位置的单键碳链。在250℃或更高温度下，来自氢气454的氢原子结合到这些空的键合位置，形成氢化的碳链。在第二温度350℃下，沸石470通常断开14到16个碳长度的碳链。碳长度被认为与微波能量的频率有关。

在300℃或其左右的温度下，微波460将能量施加到可以是煤428的原料422上。本质上，催化剂470与准备的原料422形成临时的键。催化剂470利用施加的能量摇动/振动，从而形成氢化和拉长的碳链。最终，碳链达到了这样的长度，即催化剂470的振动断开碳链。通过试验，确定绝大多数的碳链都是在14至16个碳原子的长度，这是高级柴油燃料490。

微波460不会同时将所有的原料422转化成柴油490。相应地，可用蒸馏工艺来分离各种残余物与柴油490。蒸馏机构480可以包括冷凝器482、温度计484和容器486。高温原料422高于从微波460出来的蒸发点。冷凝器482将气态原料422冷却。在各种温度下，冷凝物(condensation)都会形成，表明有一定数量的特定化合物。在340°F-650°F形成的冷凝物是柴油490，并被导入容器486。蒸馏机构480被构造并适合于分离长度通常在12至14个碳的烃链。尚待冷凝的气体通常是待再循环的短烃链。

基本上有两种非再循环的副产物。第一种是所需的柴油燃料490，将它收集、冷却、包装并运送到进一步销售或使用的地点。第二副产物是残余物488。残余物488可以包括未反应的保留了硫化汞和其他无机化合物的活性碳424、部分催化剂470和其他无机化合物。将残余物488收集起来，并按照法定标准进行处理。在替代温度下形成的冷凝物通常是待再循环回到发电机492中的长度较短的烃链，发电机492可以为微波470供电。

实施例1

按照本公开制备样品。尤其是，活性碳要从第一处理器130中获取。对活性碳样品测量并称重。加入催化剂，将样品送入反应器烧瓶。烧瓶被放在微波反应器中，并以所需的温度和停留时间进行加工。得到的经过蒸馏的柴油燃料具有这样的特性，其符合或超过了ASTM D975标准。符合或超过ASTM D 975标准就允许这种柴油燃料公开出售。

参照附图及提交时已知的创造和使用本发明的最佳方式，对第二处理器410进行了描述。本领域的技术人员可以看出，在不偏离如所附的权利要求书阐明的本发明的精神和保护范围的条件下，可以进行各种修改。

结论

以上全面描述了设备10及其相关方法，及其各自的工作方式，该设备10包括第一处理器130、鼓风机210和第二处理器410。在组合的条件下，这些组件130、210和410将原料12加工成柴油燃料14和天然气16。包括天然气16和活性碳18的中间副产物可按照用户确定的量任选地被收集起来。对设备10和整个工艺的描述得到对第一处理器、鼓风机和第二处理器的描述的支持。

参照附图及提交时已知的创造和使用本发明的最佳方式，对设备10进行了描述。本领域的技术人员可以看出，在不偏离如所附的权利要求书阐明的本发明的精神和保护范围的条件下，可以进行各种修改，其中的一些已经提到。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种加工碳质材料的方法，所述方法包含如下步骤：

将原料放置在流化床上；

以一定速度引导过热的气体通过所述流化床；

调节所述过热气体的速度，使得所述气体慢得足以将所述原料留在所述流化床上且快得足以除去活性碳和过热气体；

由所述原料产生另外的过热气体；

保持一部分所述过热气体的温度并将那部分所述过热气体再循环回通过所述流化床；及

冷却并收集未再循环回到所述流化床的过热气体。

2.权利要求1的方法，其中所述原料包含选自如下组中的至少一种：煤、城市固体废弃物、污水、木材废弃物、生物质、纸张、塑料、危险废弃物、焦油、沥青、活性污泥、橡胶轮胎和油基残余物。

3.权利要求1的方法，其中所述过热气体被加热至1000°F到1500°F之间的温度。

4.权利要求3的方法，其中所述过热气体被加热至1000°F到1200°F之间的温度。

5.权利要求1的方法，其中所述过热气体是天然气。

6.权利要求5的方法，其中所述天然气是清洁的天然气。

7.权利要求6的方法，其中所述清洁的天然气被再循环。

8.权利要求1的方法，其中所述天然气是中BTU天然气。

9.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

使所述原料漂浮在过热气体中。

10.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

混合所述活性碳和过热气体。

11.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

压缩经冷却的过热气体。

12.权利要求1的方法，其中所述速度在10立方英尺每分钟到20,000立方英尺每分钟之间。

13.权利要求12的方法，其中所述速度为约6000立方英尺每分钟。

14.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：将一部分所述经冷却的气体再循环至燃烧器，所述燃烧器间接地使所述流化床的过热气体过热。

15.权利要求1的方法，其中所述引导过热气体通过所述流化床的步骤将所述原料转化成天然气和活性碳。

16.权利要求15的方法，其还包含如下步骤：

在所述原料转化成天然气和活性碳时，将所述原料与天然气和活性碳分离。

17.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

使用所述过热气体实现分离，将所述天然气和活性碳与所述原料分离。

18.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

使用所述活性碳让天然气得到清洁，从而形成清洁的天然气和活性碳，这种清洁至少尽早在所述天然气和活性碳正要离开流化床时开始并继续直至完成。

19.一种将碳质材料加工成气体和活性碳的方法，所述方法包含如下步骤：

将原料放置在流化床上；

引导天然气通过所述流化床；

调节所述天然气的速度，使得所述天然气慢得足以将所述原料留在所述流化床上以转化成挥发物和活性碳且快得足以在原料转化成挥发物和活性碳时除去原料。

Claims (21)

1.一种将碳质材料加工成挥发物和活性碳的方法，所述方法包含如下步骤：

将原料放置在流化床上；

引导过热的非氧化气体通过所述流化床；

调节所述过热气体的速度，使得所述气体慢得足以将所述原料留在所述流化床上且快得足以除去活性碳和挥发物；

使用所述活性碳让挥发物得到清洁，从而形成清洁的挥发物和活性碳；

分离所述挥发物和所述活性碳；

将一部分所述挥发物再循环回到所述流化床；

收集所述挥发物的未再循环的部分；及

收集所述活性碳。

2.权利要求1的方法，其中所述原料包含选自如下组中的至少一种：煤、城市固体废弃物、污水、木材废弃物、生物质、纸张、塑料、危险废弃物、焦油、沥青、活性污泥、橡胶轮胎和油基残余物。

3.权利要求1的方法，其中所述过热气体被加热至1000°F到1500°F之间的温度。

4.权利要求3的方法，其中所述过热气体被加热至1000°F到1200°F之间的温度。

5.权利要求1的方法，其中所述过热气体是天然气。

6.权利要求5的方法，其中所述天然气是清洁的天然气。

7.权利要求6的方法，其中所述清洁的天然气被再循环。

8.权利要求1的方法，其中所述天然气是中BTU天然气。

9.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：足够快地蒸发所述挥发物以使碳活化。

10.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

使所述原料漂浮在过热气体中。

11.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

混合所述活性碳和挥发物。

12.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

冷却所述挥发物的未再循环的部分。

13.权利要求12的方法，其还包含如下步骤：

压缩经冷却的挥发物。

14.权利要求1的方法，其中所述速度在10立方英尺每分钟到20,000立方英尺每分钟之间。

15.权利要求14的方法，其中所述速度为约6000立方英尺每分钟。

16.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：将一部分所述挥发物再循环至燃烧器，所述燃烧器间接地使所述流化床的挥发物过热。

17.权利要求1的方法，其中所述引导过热气体通过所述流化床的步骤将所述原料转化成挥发物和活性碳。

18.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

在所述原料转化成挥发物和活性碳时，将所述原料与挥发物和活性碳分离。

19.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

使用所述过热气体实现分离，将所述挥发物和活性碳与所述原料分离。

20.权利要求1的方法，其还包含如下步骤：

使用所述活性碳让挥发物得到清洁，从而形成清洁的天然气和活性碳，这种清洁至少尽早在所述挥发物和活性碳正要离开流化床时开始并继续直至完成。

21.一种将碳质材料加工成气体和活性碳的方法，所述方法包含如下步骤：

将原料放置在流化床上；

引导非氧化气体通过所述流化床；

调节所述气体的速度，使得所述气体慢得足以将所述原料留在所述流化床上且快得足以除去活性碳和挥发物。

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