CN102300827A - 原料的微波处理，如剥离蛭石和其他矿物，以及处理被污染的物料 - Google Patents

原料的微波处理，如剥离蛭石和其他矿物，以及处理被污染的物料 Download PDF

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Abstract

公开了多种应用微波于待处理的原料的方法。一实施例涉及加热蛭石中的层间水，以使蛭石膨胀。另一实施例涉及加热被油污染的物料及废品中的水，诸如钻屑、污染的土壤和特定种类的动物副产品，以驱除油分。在一些实施例中，微波隧道施加器从原料下方施加微波。

Description

原料的微波处理,如剥离蛭石和其他矿物,以及处理被污染的物料
技术领域
本发明涉及原料的微波处理。一个应用领域涉及剥离或使蛭石或其他包含层间的水的矿物膨胀的方法和装置。另一个应用领域涉及从被油污染的物料及诸如钻屑和特定种类动物副产品的废物中除去油分，以及污染的土地和土壤等的处理。
背景技术
本发明原创于我们考虑蛭石生产的期间，并且将它引入那场合是方便的。蛭石在含水态被开采，在此态中它由带有伴生水的薄矿片组成。通过加热矿物，它能被膨胀，或者剥离，到5到10到20倍其原来尺寸的体积。蛭石有巨大的全球产业——大概一年开采60万吨。应用包括流体吸收——比如水吸收(如在园艺中)，摩擦产品(如制动闸片)，保温，防火产品，建筑板材，在涂料中，及其他多种用途。
根据被膨胀颗粒的尺寸，蛭石有各种级别。它们按从大、中、细、超细到微(在美国从V4到V0)排序。一个参考这些尺寸的地方是www.vermiculite.org/properties.htm。
运输膨胀的蛭石是昂贵的——它重量轻体积大。然而，膨胀的蛭石被运输在世界各地。该网站给出了剥离的蛭石颗粒的平均直径：
Figure BPA00001405557900011
传统剥离蛭石的方法是使用大型碳氢化合物燃料窑或者炉并在顶端加入未膨胀的蛭石，让蛭石经过窑中的一个加热区域，并且让膨胀的蛭石在窑底端落出。这方法使用大量能量——大概每吨500-1000千瓦时。窑及附加设备占用很大空间，并且它是一个昂贵的设备资产项目。它需要一直保持运作，否则窑的耐火衬砌可能破裂且被损坏。剥离的蛭石在几百摄氏度出现，并且需要在它能被装包前成堆地放置以冷却。经过窑的蛭石摩擦自身，这经常导致一定程度的产品破碎。确实，除尘，以及热气体处理，的装置也会是工业蛭石生产窑/炉的一个主要部分，并且它本身会使用几百千瓦时的能量，是非常昂贵的。
蛭石被加热到大约600℃。如果被加热过久，它可能“熟了”，通过除去结构的羟基基团，生产出滑石而非剥离的蛭石。典型的产量约为85％(按质量)，即有用的膨胀的蛭石的质量约为未膨胀蛭石质量的85％。具有不同的温度及在炉或窑内加热区域不同的滞留时间的各种炉或窑被使用来生产各种级别/尺寸的蛭石。
曾有些提议使用微波来剥离矿物，比如蛭石。但是，它们中没有一个真正工作得很好。一些包括将过氧化氢或者氨加入蛭石，然后施加微波。这是因为发现未经前处理的蛭石微波加热不能有效工作。例如美国专利3758415给出了这一手段。
还有发表的是由Sklyarevich和Shevelev提出的PCT专利申请WO2006/127025。这教导了微波辐射的使用来膨胀珍珠岩(一种相对蛭石非常不同的矿物结构)。它建议使用83GHz的微波能量，其具有约为5千瓦每平方厘米的在自由空间的传播波的能量密度，并且总功率在13千瓦时左右，具有约为每秒30克的生产速度。
使用微波来剥离蛭石的细级级别还很有问题，并且尚没有证明商业上使用微波在工业用量剥离任何一个级别。
发明内容
根据本发明的第一个方面，一种使矿物物料膨胀的方法，所述矿物物料的矿物层间具有水质中间层，所述方法使所述矿物物料从含水的、未膨胀的状态膨胀到含水较少的、膨胀的状态，所述方法包括通过施加微波到所述矿物，来加热所述矿物里的层间水至一温度以致所述水使所述矿物膨胀，所述微波具有；
(i)在1MHz到3GHz之间的频率；并且
(ii)在水相中的至少1x106W/m3的功率密度。
本方法可以被用于剥离蛭石。我们相信具有激发水的频率的微波，使蛭石中的层间水变成蒸汽，迫使层膨胀。在体积上经常有约(或至少)十倍的增加。
在当前的发明中，我们并不企图加热矿物相(或其他对微波透明的相)，而只是层间水。与基于自由辐射的WO 2006/127025不同，我们的装置基于被导向的波导以增加生产量(比那项现有技术高2到5倍)。珍珠岩永远不能工作在我们的应用中，因为水不能达到足够热以使此矿物软化。
可以使矿物与微波场间发生相对运动，例如通过移动矿物经过或穿过一个微波加热/物料膨胀区域(这比在矿物上方移动微波发射器容易)。矿物可以大致水平地且/或在一个传送带上被移动经过或穿过所述区域。
微波较佳地基本上被限制处于一个微波波导内，并且所述矿物可以被移动穿过所述波导结构。
可以有多于一个微波加热区域，并且通过使用设置在所述微波加热区域之间的一个滤波器或扼流器更好地基本上阻止功率从一个区域传输到另一个区域。
可以产生一层或薄层矿物颗粒。微波可以从所述层的下方被施加。膨胀的矿物颗粒可能升上颗粒层离开微波的施加点，并且未膨胀的、或膨胀较小更致密的颗粒，可能在层中向下落，更移近微波施加点。
从一层待处理原料的下方施加微波的想法是普遍适用的，并且如稍后讨论的，它本身构成第二个发明。
本方法可以包括施加合适的千瓦数的功率到矿物以产生至少，或大约，1x106W/m3量级的功率密度。此功率密度可以是5x106W/m3或更高。
使用过高的功率密度可能几乎没有效果。一旦功率密度达到一定程度以使层间水被逐出，额外的功率可能加热蒸汽。实际使用中，我们可能选择不使用超过约12.18x106W/m3的功率密度。
在2.45GHz，输入25kW的功率，每小时可以生产至少300千克膨胀的蛭石。
散装的矿物(bulk mineral)可以对所用微波的频率基本上是透明的。
可以在一个加热区域处施加微波，并且可以在该加热区域处抽出灰尘和蒸汽。
带有一个整体温度(bulk temperature)来生产膨胀的矿物，所述整体温度在膨胀时，或者约为或低于150℃，或者约为或低于100℃。膨胀的矿物可以被直接从膨胀工序传送到包装工序，没有在两者之间的静置冷却工序。
本方法可以包括在施加微波到颗粒的时候具有较佳地至少1mm的深度的矿物颗粒的层。层深可以为如下量级，或至少为，1、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、或更多mm深。
微波加热区域可以基本上横向延伸到整个传动带宽度，并且在矿物颗粒经过加热区域时，其层间水所经受的峰值处理功率密度在横跨所述传送带的宽度上可以是均匀的，均匀度在20％以内。
在其他变化中，蛭石可以是任何在微波加热区域内的被处理的原料物料。然而，要理解可能需要在尺寸和/或构造上改变微波加热区域以利于不同类型的原料的加热。
本方法可以由一个可移动的矿物膨胀器执行，该矿物膨胀器可选择地提供在轮式的车内或车上。
需要理解用“颗粒”这个词包括了所有蛭石的级别。其他术语可能是“片”，或者“粒”，或者“细粒”，或者“薄片”，或者“块”，或者类似的，并且对于非蛭石的物料，颗粒可能更大，或者更小，或者具有与蛭石颗粒相同量级的尺寸。
现在将仅通过举例的方式，参考其附图，描述本发明的实施例。
附图说明
图1显示了一个基于炉的蛭石膨胀厂的现有技术；
图2显示了使用微波剥离的本发明的一个实施例；
图3显示了微波剥离器的第二个实施例；
图4更详细地显示了图2或图3的机器的传送带；
图5显示了剥离器的另一个实施例的细节；
图6显示了一种用在本发明实施例中的微波施加器(或微波加热单元)的示意图；
图7显示了一种用在本发明实施例中的微波施加器(或微波加热单元)的三维示意图；
图8A和图8B显示了带有一层30mm深的蛭石层的图7的施加器内的平均电场；
图9A和图9B显示了带有一层30mm深的蛭石层的图7的施加器上的微波场的平均功率密度；
图10A和图10B显示了带有一层45mm深的蛭石层的图7的施加器内的平均电场；
图11A和图11B显示了带有一层45mm深的蛭石层的图7的施加器内的微波场的平均功率密度；
图12A和图12B显示了带有一层60mm深的蛭石层的图7的施加器内的平均电场；
图13A和图13B显示了具有一层60mm深的蛭石层的图7的施加器内的微波场的平均功率密度；
图14显示了一种隧道微波处理器的现有技术设置，用于从被油污染的物料，诸如钻屑(OCDC)或者土壤等除去油，并且一般地用于被碳氢化合物污染的基体；
图15显示了根据具有传送带下方的微波施加的本发明的另一个方面的一种隧道微波处理器；
图16更详细地显示了图15的微波处理器设置；
图17显示了SII的变化(在2.45GHz入射与反射信号之比)；
图18显示了对于图15的设置，负载高度固定，对不同的频率SII随施加器高度的变化；
图19和图18类似，但是对于小于100mm的施放器高度；和
图20A和图20B显示了图14的应用与图15的应用的比较，并且示出了图15的设置中取得的功率密度的显著提高。
具体实施方式
图1显示了一个现有技术的示意图，在本例中是一个基于炉的剥离厂。一个蛭石膨胀器系统1包括一个大型碳氢化合物燃料炉2，一个膨胀的或者剥离的产品的释放站4，一个除尘器单元6和一个冷却区8。为显示比例，图1中还显示了一个人5的示意图。
未膨胀的蛭石被放进炉2内，在那里它被加热并随后膨胀。膨胀的蛭石从炉2的底部落出来进入产品释放站4。
需要除尘器单元6除去大部分从此工序产生的有害灰尘。
膨胀的蛭石以几百摄氏度的温度从炉2被放出并且因此被输送到冷却区8，在那里它成堆放置冷却直到能被装包。
图2显示了一个蛭石膨胀器装置或系统10，其包括一个微波加热或者剥离单元12，一个膨胀的或剥离的产品的释放站14，一个未膨胀的、改进的产品(蛭石)给料站16，和一个物料输送系统18用于将蛭石从给料站16输送到微波加热单元12及到产品释放站14上。
蛭石的矿物颗粒在最长的维度上，典型地将是从十分之几毫米的量级到一厘米的量级。
在本例中，膨胀器装置10约6.5m长，约2m高，这比常规炉剥离系统小得多。
给料站16有一个在使用中容纳未膨胀蛭石的给料漏斗20，并有一个上部进口端22，以及一个下部较窄的(如截头锥形的)出口端24。出口端24有一个带有阀27的出口孔26，此阀在使用中将蛭石/未膨胀产品递送到输送系统18(在本实施例中经由一个有坡度的、倾斜的给料滑槽28)。一个替换的输送系统可以是一个振动的或者螺旋的送料器。递送系统是为了以合适的给料速度将受控的物料层递送到带上。
微波加热单元12具有一个由电源供电的微波发生器30(如基于磁控管或者三极管)。微波发生器30产生具有合适电场强度的微波，以在处理区或区域32内的水层中产生1x106W/m3的功率密度，该处理区或区域32被容纳于波导34中。当然，需要理解，对于微波加热单元的不同的应用，可能需要不同的功率密度，并且具体地对于钻屑，功率密度可能低于或者高于上述的功率密度值。处理区域具有介于1到30cm的宽度，约为50cm的高度和小于约70cm的长度(沿产品穿过处理区域的移动方向)。功率发生器30的功率输出可高达几百千瓦。
处理区域32内的电场设计为大体上均匀的，意思是产品以恒定速度穿过处理区域的任何一条直线路径，将使产品暴露于基本上相同的电场，及因此相同的功率密度(因此产品基本上经受相同的加工)。
图9A、9B、11A、11B、13A及13B显示了在处理区域32内功率密度的图像表示，下面将进一步讨论。
加热单元12包括具有一个金属隧道36的一个隧道微波设置，此金属隧道36有一个朝向隧道36的入口端40的微波扼流器38和另一个朝向隧道36的出口端的微波扼流器42，微波发生器30被放置于所述扼流器之间。扼流器阻止，或者大量地减少，从隧道36的开口端逃逸的微波。在处理区域32提供一个除尘器50，它包括一个风扇或者泵，以从隧道36的扩大的处理区部分抽出空气，和空气中夹带的灰尘。
矿物输送系统18包括一个由玻璃纤维(或其他材料)制成的传送带51，此材料对所用微波基本上透明并且能经受100°量级的温度(这比我们看到此工序中存在的温度高，但是有一定的安全裕度是谨慎的)。传送带51显示于图4中，具有一个普遍平整的底部52和两个从底部52竖立的侧壁54，以形成一个顶端开口的槽。此带的宽度为与微波隧道施加器36大约相同的尺寸(典型地20或30cm)。
带51由一个电动马达56驱动以绕端辊子58和60运转。在几处也提供导辊或者托辊62以支持此带。
膨胀器装置或系统10有一个控制器70，它控制传送带马达56、微波发生器30、除尘器50和给料站16的运作。
在此例中，控制器70可以由人手动操作，来设定被控制事项的速度/等级，或者在另一个实施例中，可能有一个选择开关或者操纵装置，来选择将从给料站引入的蛭石的等级，并且该控制器可能通过仅使用此信息作为用户输入来控制此设备。那么使用此设备将是一个无技术需要的操作。
图2中显示的产品释放站14有一个产品包装单元80，它把膨胀的产品从传送带51取下来并且直接(或者经过一个受控的通道/路径)倒在包装站82，在包装站82处一个容器84(在此例中，一个纸质或塑料物料口袋)被装满(部分装满或基本上完全装满)膨胀的产品，并且在包装站82处由一个密封器86密封此容器。
控制器70也可以控制包装单元80。
需要理解在一些实施例中可能没有除尘器50，并且/或者没有包装单元80，并且/或者没有给料站16，并且/或者没有物料输送系统18(例如，也设想批处理的情况)。
在使用中，具有特别级别(比方说例如细、超细、或者微级别)的未处理的蛭石被分批间断性地，或者以连续流地引入漏斗20的顶部。
漏斗20具有出口值27，其由控制器70设定为“开”，并且传送带51被设定为以控制器70确定的某一速度运行，并且微波发生器30由控制器70供电，以在处理区或区域32内产生合适的微波功率(与产量相关)，典型地为1到12x106W/m3。
蛭石颗粒以受控的方式从漏斗20沿滑槽28落下到带51上，在带上形成一层基本上在此层的全部宽度上大体上均匀的颗粒层。颗粒层的深度对于剥离工序对不同功率和颗粒尺寸的工作情况如何好是重要的？太薄的话，没有足够的功率被耦合进入负载(矿物)。太深的话，颗粒停止剥离。在2.45Ghz我们使用约为10-20mm的深度。在915MHz这个值会更高。
传送带51延伸进入隧道36，未处理的产品(在本例中为蛭石)颗粒经过第一个滑槽38并且进入微波处理区32，在那里它们可以经受微波场。蛭石颗粒中的水(其在蛭石内物料层之间)被加热。这引起蛭石颗粒膨胀/剥离。在蛭石颗粒穿过处理区域32的约1或2或3秒内，随着它们的膨胀，颗粒体积增加，层的高度在高度上增加5到10到20倍。
膨胀的产品现在处于大约为70℃的整体温度(不是现有技术的炉技术的几百摄氏度)。然后它被传送带51一直移动到产品释放站14，在那里它被包装单元80包装。
在本例中，此工序是一个连续的工序。然而，装置10可以被关掉并保持不用而不会损坏。通过改变传送带51的速度，可以改变颗粒在处理区32中的滞留时间。通过改变输入功率可以增加或减少功率密度。
图3中显示了膨胀机装置的第二个实施例。这和图2中的实施例相似，除了蛭石层被显示为附图标记90并且有两个(或者在其他实施例中为多个)微波处理区域32’，以及两个(多个)的微波发生器30’。在所述的微波发生器之间还有一个滤波器，附图标记为31，以确保它们是分离的并且彼此隔离(我们不希望由于反射波/驻波，在一个特定的发生器出现太高功率，从而建立起一个微波场的情况)。提供了在下游的第二个处理区32’，以给矿物第二次的加热步骤。我们相信，在矿物颗粒第一次加热步骤后，在后面的第二个加热步骤被再次加热之前，(当它们在两个处理区之间移动时)给矿物颗粒时间来膨胀有时是有好处的。这可以让一些水蒸汽在第二次加热步骤之前逸出。
图5显示了另一个实施例。这里传送带的附图标记为100，具有带有底部102和竖立的侧壁104的沟道或者槽的形状。然而，在带的下方提供附图标记为106的微波功率源/发生器。这意味着附图标记为108的颗粒层从层的底部遭遇微波。随着颗粒剥离/膨胀，它们体积增长并且具有减小的密度。膨胀的颗粒倾向于在层中上升，并且未膨胀的颗粒倾向于向层底部下落，更接近于微波源。这意味着，还需要更多微波功率进入其水的颗粒更接近于微波发生器106，而那些不再需要更多功率的颗粒远离微波发生器106。由于在颗粒间可以获得更均匀的加热，这可以生产更优质量的膨胀产品。一些颗粒过度加热而另一些加热不足的趋势更小。这是以在带的底部微波电场强度更高为前提的，情况通常如此，因为微波没有穿过太多的层并且没有机会被吸收。
带100可以是振动的，以帮助更致密的颗粒移动到底部。
带100可以有一个密闭的横截面，如在横截面上是矩形的、三角形的或环形的或圈形的，可能带有灰尘抽取孔或环。
我们可以在加热区，在微波隧道内使用不活泼气氛。例如，如果我们想把微波电场强度增加到在空气中产生电弧可能成问题的等级，以及/或者颗粒或颗粒的灰尘是易燃的。
微波功率可以从带的侧边施加，而非或者加之从带的顶部以及/或底部施加。围绕隧道/带的横截面从多于一个位置施加微波功率可能也有助于产生更一致的产品。
带应该具有足够深的侧壁以阻止膨胀的蛭石/产品漫出带。在一些实施例中隧道的高度应该足够大以容许产品的膨胀。
图6是微波施加器(或加热单元)12的示意图，其中微波辐射是从上方入射到蛭石颗粒108的。x-y交叉轴指示了图7到13中涉及的方向。图6还指示了剥离工序发生的处理区域32。
需要理解图5的想法可以被用于加热其他颗粒，而不仅是蛭石，并且不仅是在层间具有水的层状矿物(例如，其他矿物，或者食品等)。这个发明微波施加器并且从原料底部施加微波的想法在后面处理被油污染物料的情况下描述，并且这是一个独立的发明。
图7是一个微波施加器(或加热单元)的三维模型。从图7起往后的例子中，施加器在896MHz有100kW的输入功率，并被用于微粉磨的蛭石。
存在于微波施加器内的微波场强度依赖于存在其中的蛭石厚度——我们了解微波场不是随蛭石深度不变的。
图8A和8B显示了在频率896MHz具有100kW的功率输入的施加器内的平均电场，使用一层30mm深的蛭石层。
图9A和图9B显示了当蛭石层为30mm深时施加器内的平均功率密度。负载中的最大功率密度大约是9.2x106W/m3。
图10A和图10B显示了在频率896MHz具有100kW的功率输入的施加器内的平均电场，带有45mm深的蛭石层。
图11A和图11B显示了带有45mm深的蛭石层的施加器内的平均功率密度。负载中的最大功率密度大约是6x106W/m3。
图12A和图12B显示了在频率896MHz具有100kW的功率输入的施加器内的平均电场，蛭石层为60mm。
图13A和图13B显示了带有60mm的蛭石层的施加器内的平均功率密度。负载中的最大功率密度大约是1.7x106W/m3。
我们的系统的一个特定实施例具有200kg/hr的蛭石产量，传送器上的蛭石深度10mm，以及具有施加的微波功率：～25kW2.45GHz。这是用于细级蛭石的。这具有150KWh/t的每单位重量的最大功率消耗。剥离的蛭石具有＜95g/l的产品特性，包括粗砾和细粒粉末(～10-20％)，这符合工业规格。此工序具有的能量花费包括约每吨9.50英镑的(以2008年12月的价格)处理能量花费，亦即每100升细级产品大约0.095英镑。
我们了解现有技术一直在使用错误的方法。现有技术加热蛭石(矿物)本身以引起限制在蛭石中的水膨胀(蒸发)，因而引起蛭石膨胀。我们了解有选择地加热矿物里的自由水更好。
我们还了解这样的事实，即在微波剥离厂的加热区在水的相内的功率密度是重要的。太低的功率密度完全不能工作，尤其在小颗粒尺寸。
我们的技术能很好地工作于蛭石的大、中、细、超细及微尺寸范围，但在蛭石的细、超细及微尺寸范围特别好。我们相信这与其具有一个相对高的表面积与体积之比有关(与大级别蛭石或中级别蛭石相比)。我们相信较小的颗粒需要较快的层间水的加热，并且对于小颗粒需要比更大的蛭石颗粒需要的更高的功率密度。
我们的样机每小时能生产几百千克(在我们的样机中300千克每小时)细级的膨胀的蛭石，并且每吨使用约100千瓦时的供电。我们在微波动力的加热区域使用30千瓦的2.45GHz微波功率。这具有比基于炉的系统更低的能量消耗。然而要注意，可以替换使用896、915和922MHz的其他频率。
我们注意到我们的微波系统具有每吨50到150千瓦时的消耗，然而炉处理每吨有500到1000千瓦时的消耗。
我们还显著地改进了生产工厂里人的工作条件。与现有技术相比，对于人来说有减少的灰尘和噪声。用我们的微波系统，我们可以几乎完全消除灰尘的散发。这相对于现有技术的灰尘及热空气处理系统所花费的能量，为我们每吨节约了400到500千瓦时。
本质上，我们的系统可以是一个密闭系统。
我们产生较少灰尘的一个原因是因为在我们的发明的许多实施例中蛭石是在水平的传送带上输送的。这样蛭石颗粒不会像在现有技术中那样在空间中下落时互相碰撞。而且，因为在我们的技术中蛭石矿物的散装的物料(bulkmaterial)远没有被加热得那么多，它不像在别的情况下那么软，颗粒没有碎裂得那么多。
另一个显著的优点是我们在大约70℃的温度生产剥离的产品，至少一些实施例是这样。这比炉生产的蛭石的温度低得多。我们能让膨胀的蛭石从剥离机器被直接递送进入包装或装包机器，而不是让它放置几个小时以冷却。
我们的工序比现有技术的工序灵活得多。不像现有技术，我们能开始和停止生产而不损伤设备。我们能在不同的负载量级别运作我们的机器——而在现有技术中改变蛭石流率可能是个技术性的工作，因为这会显著地改变炉内的温度。我们能有自动的工序控制。对于我们的系统控制能够是非常简单的，并且操作这机器能够是一个无技术需要的工作。我们可以简单地按动一个按钮，或者可能指示被使用的蛭石的级别，来操作机器，一个微处理器或者电脑可以做其余的工作。不像现有技术，一个机器(如我们的)能处理不同级别的蛭石。
另一个主要优点是我们的剥离机器，既对于剥离机器本身也对于气体/处理设备，与炉式机器相比，在工厂里具有显著地较小的占位面积。
进一步地，我们的维护费用低得多，并且我们的停机时间能更低。磁控管的维护是必要的，但我们估计更换磁控管应该每10000个工作小时进行一次。带的润滑是时常必需的，但这是常规的非技术性的工作，而且便宜。
而且，既然微波剥离器本质上是非常模块化的，我们能设想一个模块系统，其中的组件可以换进换出以减少停机时间。
因为只有蛭石被加热，甚至只有层间的自由水被加热，相比现有技术的炉式系统，我们有减少的启动和停机时间。
进一步的优点是使用我们的机器，膨胀蛭石的实际特性更一致且更易于保持在规格内。具有提高成品率和减少废品的潜力。
进一步的可能性在于我们可以提供可搬运的剥离机器，并且把机器移到不同的最终用户的场所。我们可以在使用的最终地点或者销售的地点生产膨胀的蛭石，而不是拥有一个中心工厂，然后运输膨胀的蛭石。例如，我们可以把一个微波剥离器安装在车里，如货车或卡车。
另一个有利的特征是我们能通过控制蛭石颗粒在微波加热区域的所花时间以及/或者微波加热功率控制剥离/膨胀的程度——取决于所述条件，同样的颗粒能被膨胀到更高或更低的程度。虽然这对于现有技术系统理论上一样，但控制蛭石颗粒在炉的加热区内的所花时间非常困难。炉中的加热区不是明确定位的，而且，颗粒在竖直的炉中受到向下的重力作用，并伴有向上升的气流，穿过流动层的颗粒所移动的时间难以预计。在我们的系统中，具有一个对每个颗粒都有更高一致性的处理环境是可能的。
本发明也可以被考虑为一个：
(i)在诸如颗粒的矿物，诸如蛭石的膨胀物料的生产中减少能量消耗或者CO2释放的方法；或者
(ii)一种加快从未膨胀物料到包装的(如装包的)膨胀的物料的生产包装的膨胀的矿物/物料的速度的方法(比如因为没有物料冷却的等待步骤，因为无论如何它们不会变得那么热)；或者
(iii)一种减少处理灰尘的要求以及/或者产生的灰尘以及/或者释放到大气的灰尘的方法；或者
(iv)一种减小剥离厂的实际尺寸的方法；或者
(v)一种生产更好质量/更高均匀性的剥离的/膨胀的物料/或者其他产品的方法；
(vi)一种与使用炉相比提高剥离或者膨胀工序的产量的方法；或者
(vii)一种在膨胀矿物时减小噪音的方法(炉是嘈杂的)
根据本发明的另一个方面，一种膨胀颗粒物料的方法包括形成一层所述物料并且从层下方加热。
这导致下层的、更低的、物料颗粒膨胀，并且因为膨胀的颗粒较不致密，在层中上升。那么更致密的、膨胀较少的颗粒下落更接近层的底部，更接近加热源。
我们相信较小的颗粒比较大的颗粒在水的相耗费更高的能量密度以使它们膨胀。
我们可以有一台对冷却及贮藏的要求显著地减少的机器。我们还可以提供一台带有自动化工序控制的机器以保持产品质量，以及用于不同级别的膨胀的产品的生产。
除了具有减小的生产厂的场地之外，我们也不需要在颗粒堆放冷却时贮藏颗粒堆的场地。
我们的倒置的微波施加器的一个进一步的应用已经实现。该倒置的微波施加器方法具有额外的出乎意料的好处。
除了蛭石膨胀，我们一直对微波对其他物料的处理操作的用途感兴趣，包括使用微波引起多相矿物的不同相的区别化加热，以从岩石取出矿物，以及使用微波来除去岩石和混合物中的油(例如在石油勘探产业清洁被油污染钻屑(OCDC)，及从页岩中回收油)。我们惊讶地发现拥有一个倒置的微波施加器(把施加器放置在被微波加热的物料的下方而不是它的上方)有意外的好处，并且因此，本发明作为一个普遍的废物处理平台可以有广泛的应用。
这些额外的发明在对OCDC的工作中被创造。我们较早的专利申请(WO2008/059240)在此通过引用被并入。在这一点上请读者阅读WO 2008/059240。这将帮助得到后文材料的全面的公开。
图14显示了在海上石油/天然气钻井架上连续地从被油污染的钻屑分离油的系统101的概览。系统包括将进给物料105送到微波处理腔103内的给料装置107(或者一个物料给料器107)，进给物料105包括未处理的钻屑106(它包括水、油和岩石的混合物)。靠近腔103的出口提供凝结装置109，并且它被设置为把不活泼的清洗或冲刷气体111从回收的油与水的混合物113分开。提供分离器115，将混合物113分为油114和水116。提供一个抽取或者再循环系统117，以过滤和清洁气体111并且使它返回到微波腔103的给料入口112。抽取系统117包括一个泵118和一个清洁气体入口120，泵118泵送气体穿过腔103，清洁气体入口120将新气体引入到再循环的气体。提供一个反馈系统121，以将处理过的屑119作为干燥的处理过的物料122送回到处理系统107。
在使用中，进给物料105在一个传送器110上，如一个传送带上，送进腔103。进给物料105在处理区108(由虚线包围的)暴露于微波辐射，这导致进给物料里的水被快速且选择性地加热(如下面更细致的描述)。这进而导致进给物料的油分的热脱附，留下基本上无油的处理过的固态钻屑119。穿过腔3的冲刷气体111帮助蒸汽移动到凝结器109。被凝结器回收的油可以被再循环进入钻井泥浆(这可能需要增加一些添加剂)，同时处理过的固态物料119适合于被处置(或者作为一种回馈的“干的”物料122，用来混合回到进给物料105以控制其水分)。以传送器上物料的重量算，处理过的物料有低于1％的油分，能被直接抛进海里。
可以达到5到10吨/小时的处理量，不过对于大多数海上钻井架在250千克/小时到1吨/小时的范围内的处理量是令人满意的。这些类型的工作可以用一个功率约100kW，功率密度高于1W/mm3(109W/m3)的微波施加器完成。该系统小且紧凑，使它容易地装在钻井架上，尽管场地受限。工业级的型号能被简单地在一个ISO货运集装箱内运送。实际占位面积是可变的，因为其模块化的特性，系统可以以多种方式设置，例如它可以被竖直地设置，其具有水平传送器最少的使用。送料系统也可以相对远离处理腔。这种灵活性使它在海上钻井架上特别有用。
进给物料的成分和电磁辐射的强度及均匀性(这至少部分地依赖于微波腔本身的形状)，都影响油的有效去除。进给物料准备及给料系统107和电磁处理腔103都被设计得能确保被污染的物料一致地并且均匀地被处理。放出的气体及蒸汽的去除装置，可选择地使那些气体被回收以及再循还，该去除装置被认为分别地有创造性。
我们从实验性尝试中确定系统的工作表现依赖于传送带110上的原料的物理性质。介电构造ε的变化(如由于水分的变化)能改变其工作表现。
传送带上的原料的深度的变化会改变系统的工作表现到令人惊讶的程度。
一种解决方法是通过动态地控制下列项的一个或多个(或全部)补偿这种敏感性：传送带的速度；原料在传送带上的高度或分布，微波施加器施加的功率，构成原料的散装的物料的介电性质。
然而，微波施加器不能容易地、快速地实时反应，以改变它们的整体功率输出，或者它们的输出峰值功率密度或者达到的峰值输出场强。
图15显示了另一个OCDC处理系统281。相似的部件被给与了相似的附图标记数字。这一次，微波施加器208/微波腔是在传送器205的下方。
我们惊奇地发现这降低了系统对传送带上原料的高度的变化的敏感性，并且降低了系统对原料的整体介电性质(即其水分)的敏感性。
而且，通过让微波施加器不在带的上方(如在它下方)，使处理以及去除放出的(通常热的)气体和蒸汽更为容易。一个放出的气体/蒸汽去除系统130显示在图15中。这减少了原料在微波的处理中释放的气态物质。
我们意识到对于被油污染钻屑(及其他物料)的微波处理，进料介电性质的变化对于一个反射分步施加器(step applicator)的运作效率有影响。当在水分的窄范围内工作时，之前开发的分步微波施加器在减少进给物料的油分上是有效的，但在水分更大地变化时效率较低。通过用干的物料混合给料钻屑，具有减少整体水分的整体效果，克服这个问题。然而，在一些应用(不进行混合)中，那可能是不能做到的，或者靠它本身来处理原料物料的介电性质的足够宽的变化可能是不够的。这导致重新设计的施加器，就进给物料的敏感性及在同一功率输入下在加热态支持更高的功率密度的能力而言，使它运作更简单。
我们的实验的一个发现是，只有使用高功率密度(典型地在1x106W/m3量级)，原料的介电性质的变化才能被容忍。然而，需要理解，所需的实际功率密度可能依赖于特定的被处理的原料以及/或者特定的应用。因此，对于处理钻屑、被污染的土壤和其他废物等，功率可能是不同的。要在可变物料的整个深度达到所需功率密度，在工序控制系统的发展上提出了相当大的挑战，此控制系统被需要以动态地改变层厚、微波隧道里带的底盘高度，和正向功率(可能地还有混合干的给料来给出对水分的一个粗略水平的控制)。通过重新设计施加器，使得进料位置被倒置，克服了这些挑战。这个构造提供了额外的好处，在于它便利了热蒸汽和气体直接在被处理的物料的上方的处理，继而提高了功率输送的可靠性。至少在我们研究的实施例中，我们显示了在新的倒置的施加器设计中的功率密度对同样的功率输入能高出达29％，而且对给料性质还较不敏感。这使它更适合于海上使用。
图16更详细地显示了图15的倒置的微波施加器。在微波波导310的微波输入功率在2540MHz是30kW。传送带由玄武岩制成，3mm厚(这具有良好的、透明的微波性质)。微波隧道的宽度(图上的w)是100mm，隧道的高度h也是同样。OCDC屑的深度，d，是40mm。钻屑减少约5％的波动含量(wavercontent)，具有ε’为7，及ε”为1.9。
图17显示了对于不同的负载厚度，在图16输入(左边)端口SII(入射与反射信号之比)随微波频率的变化。
作为一个优化参数，在2.45GHz的频率(微波施加器频率)，SII的理想值需要尽可能低，并且反射损耗峰尽可能宽。这等同于较低的品质因数，及因此来自于施加器的较少的反射功率，这导致在工序中更好的匹配，更好的匹配继而引起更好的工序总效率。这样，SII值给我们提供了一个关于系统匹配如何的有价值的指标(为了使反射功率最小化)，而一个宽峰意味着系统对频率的变化和物料性质较不敏感(即更稳定)。
在这一阶段需要考虑的另一个参数是层高可能对物料生产量的影响。
从图17显而易见的，40mm层高的选择是在最小化来自于施加器的反射和取得高生产量两者之间的一个好折衷。
图18显示了对微波施加器的腔的不同高度，SII参数对频率关系。显而易见，就在2.45GHz的调频而言，施加器将在100mm的高度获得最佳性能。
以相似的方式，图19说明了对于腔高度小于100mm的施加器的SII参数对频率的关系。从图中可以得到结论，随着腔高度减小，最小反射损耗漂移得比2.45GHz高，因此就调频而言降低了施加器的整体性能。
图19显示了对不同的施加器高度，对于高度小于100mm的SII参数对频率关系(负载高度是40mm，玄武岩带厚度是3mm，施加器宽度在100mm保持接触)。
这样，从图17、图18及图19可以得到结论，施加器的最佳尺寸(在2.45GHz)对于高度和宽度是100mm，对于负载高度是40mm。对于这些尺寸，反射损耗有足够低的数值以利于简单的施加器调频，另外施加器以一个较低的品质因数工作，就其频率响应及功率耦合的简便而言，这实质上转换为稳定性。众所周知，磁控管微波设备就其频率输出而言并不产生一个干净的信号，并且此信号通常有几兆赫兹的带宽，这常常使调频非常成问题。具有低品质因数的施加器能补偿带宽，并且在此频率范围内成功运作。
图20A和20B显示了对于相同的物料在2.45GHz的30kW功率工作的图14的施加器与图15的新施加器的一个对比。图20A对应于图14的施加器，图20B对应于图15的施加器。
相比于旧的施加器，新的施加器的较好的工作性能可以就峰值电场强度在图20A和20B作出评价。对于在这两个施加器内在2450MHz的30kW微波功率输入，对完全相同的负载，新施加器具有11.1x107W/m3的功率密度，与之相对旧施加器为7.9x107W/m3。这个差异被归因为新施加器具有较低的品质因数，加上比之于旧施加器更周期性的行为，旧施加器是设计以保持驻波的，这使调频更困难。
通过拥有在即将被微波加热的物料下方的微波施加器，我们使系统对被微波加热的原料的确切介电性质，和确切体积，和确切位置不敏感。
除尘由抽取器230完成。它有一个泵或风扇以从原料物料带延伸进入的微波隧道抽出气体，和气体中夹带的灰尘。
微波处理工序(对于许多不同种类的微波处理)能产生热气体，或蒸汽，或灰尘(例如蒸汽，或气态碳氢化合物，或矿物灰尘)。抽取器能移去这些不想要的(并且可能危险的)物质。一种不活泼气体(如氮气)可以被用在微波隧道内以抑制粉尘危险或者物质氧化。热气体倾向于上升，因此将微波施加器置于原料的下方(或者至少它旁边)意味着放出的物质不会倾向于上升进入施加器而对其造成可能的腐蚀。
防尘网或集尘器被配置在微波发生器本身和微波腔室之间。这可以对减轻物体落进微波发生器的担忧。一个屏或者过滤器以附图标记320显示在图16中。
从微波腔室的上方去除微波施加器为蒸汽去除以及/或者蒸汽回收机器释放了空间。
通过在其上带有原料的带的下方拥有微波施加器，原料基准面离微波发生器输入口的位置和距离是固定的，不随带上的原料的高度而改变。看来对于给定的负载，令人惊异地，这种设置具有比预期高的功率密度。
因此，由上所述容易理解，通过从待处置/处理物料的下方施加微波能量有许多有利的好处。一个主要的好处围绕着系统对变化的物料性质的敏感性，以及匹配系统来优化效率的能力。通过使微波能量穿过层，发现匹配系统更为容易，这继而，并且附加地，使系统对变化的物料性质较不敏感。从下方提供微波能量的一个好处是，系统对带的高度和层的深度的变化较不敏感。然而，层的深度能被用以控制电场分布模式及产生需要的加热状态。
作为一个附加的优点，任何产生的热气及蒸汽可以直接从加热区域的上方除去，而对微波馈给点没有干扰。因为波导馈给是在传送带的下方，带还充当一个“屏障”或者防护器以阻止灰尘及碎片落进波导。这防止了，或者至少最小化了，污染物(如灰尘和气体等)能进入波导的危险，并且因此显著地提高了系统的可靠性以及/或者寿命。

Claims (44)

1.一种使矿物物料膨胀的方法，所述矿物物料的矿物层间具有水质中间层，所述方法使所述矿物物料从含水的、未膨胀的状态膨胀到含水较少的、膨胀的状态，所述方法包括通过施加微波到所述矿物，来加热所述矿物里的层间水至一温度以致使所述水使所述矿物膨胀，所述微波具有；
(i)在1MHz到3GHz之间的频率；并且
(ii)在水相中的至少1x106W/m3的功率密度。
2.如权利要求2所述的方法，应用于剥离蛭石。
3.如权利要求1或2所述的方法，包括移动所述矿物经过或穿过微波加热/物料膨胀区。
4.如权利要求3所述的方法，包括大致水平地且/或在传送带上移动所述矿物经过或穿过所述区。
5.如前面的任意一个权利要求所述的方法，其中，所述微波基本上被限制处于微波波导内，并且其中，所述矿物被移动穿过附着于所述波导的微波施加器。
6.如权利要求5所述的方法，包括具有多于一个微波加热区，并且通过使用设置在所述微波加热区之间的滤波器或扼流器，基本上阻止从一个区到另一个区的功率传输。
7.如前面的任意一个权利要求所述的方法，包括产生一层所述矿物的颗粒以及从所述层的下方施加所述微波。
8.如权利要求7所述的方法，其中，膨胀的矿物颗粒升上颗粒的所述层，离开微波的施加点，并且其中，未膨胀的、或膨胀较小的更致密的颗粒在所述层中向下落，更移近所述微波的所述施加点。
9.如前面的一个权利要求所述的方法，包括将至少1、5、10、20、30或更多千瓦的功率施加到所述矿物。
10.如权利要求2所述的方法，或前面任意一个直接或间接地从属于权利要求2的权利要求所述的方法，包括每小时生产至少50、100、200、或300、或更多千克的膨胀的蛭石。
11.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中，散装的矿物对所使用的所述微波的频率基本上是透明的。
12.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中，在加热区处施加微波，并且其中，在所述加热区处灰尘被除尘器抽出。
13.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中带有一整体温度来生产膨胀的矿物，所述整体温度在膨胀时，或者为150℃的量级，或者低于150℃。
14.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中膨胀的矿物被直接从膨胀工序传送到包装工序，没有被许可在两者之间的冷却工序中静置一段有效长度的时间。
15.根据前面任意一个权利要求所述的方法，包括，具有大致均匀的厚度为至少5mm的矿物颗粒的层，并且在施加微波到所述颗粒时，所述厚度较佳地为至少10mm或至少20mm。
16.根据前面任意一个权利要求所述的方法，其中微波加热区基本上延伸横跨整个传动带的宽度，并且微波峰值能量密度和/或矿物颗粒在经过所述加热区时所经受的累积微波能量，在横跨所述带的所述宽度上是均匀的，均匀度在20％以内。
17.根据前面任意一个权利要求所述的方法，由可移动的矿物膨胀器执行，所述矿物膨胀器可选择地提供在轮式或履带式的车内或车上。
18.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中所述微波具有约为2.45GHz的频率，约为15kW的功率，以及约为1x106W/m3的功率密度。
19.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中所述微波具有约为2.45GHz的频率，约为30kW的功率，以及约为1x106W/m3的功率密度。
20.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中所述微波具有约为900MHz的频率，约为75-100kW的功率，以及约为1x106W/m3的功率密度。
21.如前面任意一个权利要求所述的方法，其中所述微波具有约为900MHz的频率，约为150kW的功率，以及约为1x106W/m3的功率密度。
22.一种微波颗粒膨胀器，适合于在使用中使用微波来膨胀颗粒，包括颗粒接收区域和微波发生器，所述微波发生器适合于在所述颗粒接收区域处产生微波，所述微波具有能激发水及在使用中能产生至少为1x106W/m3的功率密度的微波场的波长。
23.如权利要求22所述的膨胀器，其中所述微波发生器适合于产生至少1、5、10、20、30或更多千瓦的微波功率。
24.如权利要求22或权利要求23所述的膨胀器，还包括颗粒输送系统，用以将待膨胀的颗粒输送经过所述微波发生器，所述颗粒输送系统可选择地包括传送带。
25.如权利要求24所述的膨胀器，还包括颗粒递送站，所述颗粒递送站适合于把待膨胀的颗粒递送到所述颗粒输送系统。
26.如权利要求24或权利要求25所述的膨胀器，还包括包装站，所述包装站适合于在使用中当膨胀的颗粒离开所述颗粒输送系统时包装所述膨胀的颗粒。
27.如权利要求24至26中任意一个所述的膨胀器，其中所述颗粒输送系统包括传送带，所述传送带具有底部和从所述底部延伸出去的侧壁，以形成槽。
28.如权利要求27所述的膨胀器，其中所述侧壁至少为5、10、20、25、30、40、50或更多厘米高。
29.如权利要求22至28中任意一个所述的膨胀器，其中在所述颗粒接收区域的下方提供所述微波发生器。
30.如权利要求22至29中任意一个所述的膨胀器，其中提供了在所述颗粒接收区域处起作用的除尘器。
31.如权利要求27至30中任意一个所述的膨胀器，提供在轮式或履带式的车内或车上。
32.一种微波加工原料的方法，包括从所述原料的下方施加微波。
33.根据权利要求32所述的方法，包括以107Wm-3量级的功率密度施加约为2.45GHz的微波。
34.根据权利要求32或权利要求33所述的方法，包括施加微波以达到至少为9，较佳地至少为10，且更佳地至少为11x107Wm-3的功率密度。
35.根据权利要求32至34中任意一个所述的方法，用于从被碳氢化合物污染的基体中分离碳氢化合物成分，较佳地用于处理被油污染的钻屑、污染的土壤和动物副产品中之一种或多种。
36.一种在微波处理腔内微波加热进给物料的方法，包括控制所述进给物料的水分，并且可选择地或较佳地包括步骤：
测量被碳氢化合物污染的物料中的水分；并且
在所述被碳氢化合物污染的物料中加入已知水分的物料，使得所产生的所述进给物料具有受控的水分；或者
微波施加装置包括微波处理腔和适合于控制进给物料的水分的物料给料器。
37.一种生产石油或天然气的工序，包括通过使用钻井平台进行测试钻孔来找到石油或天然气的田或阱，和随后从所述田或阱中抽出石油或天然气，其中所述测试钻孔包括用油基钻井泥浆来钻孔和通过使用如权利要求32至35中任意一个所述的方法在所述钻井平台的原位处理被油污染的钻屑。
38.一种减少被碳氢化合物污染的基体的碳氢化合物成分的方法，包括步骤：
控制包括所述被碳氢化合物污染的基体的进给物料的介电性质；
连续地将所述进给物料传送入处理腔；
使所述进给物料在所述处理腔的处理区域内暴露于微波辐射，所述微波辐射被设定为使所述进给物料中至少一部分的水分快速加热以形成水蒸汽，其中快速的水蒸汽形成导致至少一部分的所述碳氢化合物成分从所述基体中的热脱附；以及
连续地将所处理过的基体从所述处理腔移出，并且其中所述微波根据权利要求32至35中任意一个所述地被施加。
39.根据权利要求38所述的方法，其中控制所述介电性质包括控制水分，可选择地或较佳地还包括，测量水分和所述进给物料的颗粒的平均尺寸中至少一项的步骤，以及还可选择地或较佳地包括，改变所测量的水分和/或颗粒尺寸的步骤；或者
一个微波处理厂，所述微波处理厂具有进出处理区的进给物料的连续供应，和适合于回收在所述处理区内处理所述物料中产生的蒸汽的蒸汽回收系统；或者
一个微波处理厂，所述微波处理厂具有至少每小时50千克的进给物料的流率，和在物料处理区内所述物料的加热阶段中至少109W/m3的功率密度；或者
一个微波处理厂，所述微波处理厂具有高度至少为100mm及宽度至少为100mm的连续进给隧道微波施加器。
40.一种用以加工原料的微波处理装置，所述装置包括处理区域，在所述处理区域处用微波来处理原料，以及微波递送口或者设置在所述处理区域内的所述原料下方的施加器，以从下方辐照所述原料，并且较佳地其包括隧道微波施加器。
41.根据权利要求40所述的装置，还包括原料传送器，比如传送带，在使用中将原料传送穿过所述处理区域。
42.根据权利要求40或41中任意一个所述的装置，其中10cm(±约10％)宽及10cm(±约10％)高的微波隧道由控制器所控制，在使用中具有一层约4cm深的原料，并且其中所述微波约为2.45GHz并且具有至少为107Wm-3，并且可选择地至少为9x107Wm-3的功率密度。
43.一种微波施加器的用法，所述施加器在由来自所述施加器的微波正在加工的原料的下方，以使所述原料的微波加工对所述原料的高度或者位置较不敏感。
44.一种增加当原料由导向的波导微波系统所微波加热时而在所述原料中所经受的功率密度的方法，包括从所述原料的下方施加微波。
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