CN108473876A - 用于轮胎转化为炭黑、液体和气体产物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种反应器，用于将废弃轮胎材料转化为输出产物、同时允许在特定范围内控制产物的特性，所述反应器包括维持在第一平均温度的预处理区域，维持在第二平均温度的至少一个初级处理区域，维持在第三平均温度的至少一个次级处理区域，将废弃轮胎材料冷却到第四温度的后处理区域，将水引入次级处理区域、并且潜在地也可以是初级区域的内部的至少一个水注入器，以及传送机构，该传送机构可以跨过预处理区域、初级处理区域、次级处理区域和后处理区域移动并可以混合废弃轮胎材料。

Description

用于轮胎转化为炭黑、液体和气体产物的系统和方法
技术领域
本文公开的设备和方法总体上涉及使用转化工艺和系统循环利用废弃轮胎材料的设备和方法，并且具体涉及轮胎转化成炭黑、液体和气体产物。
背景技术
全球每年生产大约15亿个轮胎，并且销售约14亿个新轮胎，仅在美国每年就销售3亿个轮胎。这些轮胎中的每一个最终都会以报废弃轮胎结束。据估计，发达国家每人每年会丢弃一个汽车轮胎，且全世界约有40亿个轮胎积存在库存中。显著的附加数量的轮胎由其他较不组织化的方式处置。轮胎圈经常为诸如蚊子的害虫和昆虫提供繁殖地，因为它们的形状和抗渗性允许它们长时间保有水。废弃轮胎库存难以点燃；然而，一旦被点燃，轮胎燃烧得非常剧烈并且很难熄灭，经常燃烧多年并导致包括颗粒物在内的空气污染物的大量释放。轮胎不能生物降解，因此在处置后多年仍可能存在上述危险。因此，旧轮胎意味着环境危害，消除它们是人类文明的重要任务。
有关废弃轮胎管理和一般的任何废物管理的政策采取了分级方法，试图按照以下顺序减少对环境的影响：废物最小化、再利用、循环利用、能源回收和填埋。与废物管理有关的立法正在推动对于有助于解决废物处置问题的经济且环保的机制的研究。在垃圾填埋场处置废弃轮胎在欧盟是禁止的，且在美国是被高度劝阻的。因此，材料循环利用和/或能源回收似乎对未来具有很大潜力。通过循环利用和其他方法消除废弃轮胎材料的努力已经持续了一段时间，并且欧盟和美国等司法机构一直致力于鼓励更加环境友好的处置方法。诸如热解以从轮胎废料中提取材料的新方法已经被开发出来，并且对于从轮胎废料中回收能量和经济有用的产物如金属、气体、油和炭黑显示出相当大的希望。尽管如此，迄今所使用的方法未能足够有效地回收材料，以使轮胎热解成为可行的追求。结果，美国超过18％的废旧轮胎仍然投入垃圾填埋场。
因此，仍然需要用于循环利用废旧轮胎和/或从废旧轮胎中提取材料的高效的系统和工艺。
发明内容
在一个方面中，一种用于在正常压力下将废弃轮胎材料转化为输出产物的反应器，包括维持在第一平均温度的预处理区域，维持在第二平均温度的至少一个初级处理区域，维持在第三平均温度的至少一个次级处理区域，将废弃轮胎材料冷却到第四温度的后处理区域，将水引导至次级处理区域的内部中的至少一个水注入器，以及传送机构，所述传送机构将废弃轮胎材料移动跨过预处理区域、初级处理区域、次级处理区域和后处理区域。
在相关的实施例中，后处理区域还包括围绕后处理区域的冷却系统。在另一实施例中，传送机构包括一个或多个集成部段，每个集成部段均以材料推进叶片和材料混合叶片为特征。在又一实施例中，螺杆输送器具有可变导程。在另一实施例中，螺杆输送器还包括固定到螺杆输送器的多个混合叶片。
进一步的实施例还包括至少一个管，所述至少一个管包括所述预处理区域、所述至少一个初级处理区域、所述至少一个次级处理区域和所述后处理区域。在相关的实施例中，所述至少一个管还包括串联布置的多个管。在另一实施例中，所述至少一个管还包括并联布置的多个管。在又一实施例中，所述至少一个管还包括包括所述预处理区域的第一管，包括所述至少一个初级处理区域的至少一个第二管，包括所述至少一个次级处理区域的至少一个第三管，和包括后处理区域的第四管。进一步的实施例还包括围绕所述至少一个管的包括所述初级处理区域和所述次级处理区域的部分的加热外壳，其中，所述加热外壳不包围所述至少一个管的包括所述后处理区域的部分。
在另一个方面中，用于轮胎转化的方法包括在反应器的预处理区域中将废弃轮胎材料加热至第一温度。该方法包括在反应器的初级处理区域中将废弃轮胎材料加热至第二温度，在反应器的次级处理区域中将废弃轮胎材料加热至第三温度。该方法包括将水引入反应器的次级处理区域。该方法包括在反应器的后处理区域中将固体残留物冷却至第四温度。
在相关实施例中，第一温度在300至700摄氏度之间。在另一个实施例中，第二温度在700摄氏度至890摄氏度之间。在又一实施例中，第三温度在700至890摄氏度之间。在另一实施例中，第三温度为900摄氏度或更高。在又一实施例中，在所述废弃轮胎材料以每秒第一质量速率引导至所述次级处理区域的情况下，还包括改变水的引导的每秒质量速率，以控制生产的材料的品质。另一实施例包括将水引入初级处理区域。另一实施例包括在反应器内维持接近正常的大气压力。
在另一个方面中，根据上述方法生产炭黑。在一个相关的实施例中，炭黑具有90m2/g至250m2/g的孔隙率。
当结合附图考虑时，根据本发明的以下详细描述，所公开的设备和方法的其他方面、实施例和特征将变得显而易见。附图仅用于示意的目的，并不旨在按比例绘制。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或基本相似的部件通过其初始图示时的单一数字或符号表示。为了清楚起见，并非每个部件都标注在每个附图中。也并非示出设备和方法的每个实施例的每个部件，其中图示对于本领域普通技术人员理解该设备和方法不是必需的。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前面的概述以及之后对于所公开的设备和方法的详细描述。应该理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。
图1A是示出所公开的反应器的一个实施例的示意图；
图1B是示出所公开的反应器管和气体喷射阵列的一个实施例的横截面的示意图；
图2A是示出螺杆输送器的螺杆的一个实施例的示意图；
图2B是示出螺杆输送器的螺杆的一个实施例的示意图；
图2C是示出螺杆输送器的螺杆的一个实施例的横截面的示意图；
图2D是示出具有交替的推进部段和混合部段的传送机构的实施例的示意图；
图3A是示出具有并联布置的管的所公开的反应器的一个实施例的横截面的示意图；
图3B是示出具有并联布置的管的所公开的反应器的一个实施例的示意图；
图4是示出了具有串联的管的所公开的反应器的实施例的示意图；
图5是示出包括气锁(airlock)和预处理步骤的所公开的反应器的实施例的示意图；
图6是示出用于转化废弃轮胎材料的所公开方法的一个实施例的流程图；
图7A是示出在所公开的方法的一个实施例中从废弃轮胎材料提取的材料的温度曲线图；以及
图7B是示出在所公开的方法的一个实施例中从废弃轮胎材料提取的材料的温度曲线图。
具体实施方式
所公开的设备和方法的实施例涉及通过热处理使用过的(废弃的)轮胎或其它橡胶材料来生产炭黑、油、气和金属；所公开的反应器和方法的实施例使得能够更好地控制转化期间产生的材料的品质和范围。一些实施例通过包括有机材料在升高的温度下在水蒸汽存在的情况下转化的转化而实现这一点；这可以产生新的分子，其结合了来自废弃轮胎材料的产物与来自水的氢和氧。通过使用一系列温度阶段且策略性地引入水蒸汽，改进了废弃轮胎转化为炭黑的所有现有工艺。水处理使得能够控制用于不同工业应用的生产材料的品质特性。
图1A-1B示出用于执行废弃轮胎材料转化的反应器100的一些实施例。反应器100包括维持在第一温度的预处理区域1。反应器100包括维持在第二温度的至少一个初级处理区域2。反应器100包括维持在第三温度的至少一个次级处理区域3。反应器包括水注入系统7，其将水引导至次级处理区域3的内部。反应器100包括维持在第四温度的后处理区域4。反应器100包括传送机构12，该传送机构可以包括一个或多个螺杆输送器13，所述一个或多个螺杆输送器将废弃轮胎材料从预处理区域移动到初级处理区域，从初级处理区域移动到次级处理区域，并且从次级处理区域移动到后处理区域。
所公开的设备和方法的一些实施例涉及从轮胎废弃材料转化和提取资源。在下文中，转化(conversion)是通用术语，其表示各种化学过程，包括但不限于废弃轮胎热解，如下文进一步详述。在一个实施例中，废弃轮胎材料是从被抛弃的轮胎或被用费的轮胎获得的材料；轮胎可以是覆盖和保护诸如汽车、卡车、摩托车、拖拉机、自行车和类似装置的车辆的车轮的环形部件。轮胎废弃材料可以包括用于构造轮胎的任何材料或材料的组合。废弃轮胎材料可以包括一种或多种弹性体聚合物，其可以组合成共聚物。弹性体聚合物可以包括合成或天然橡胶材料。弹性体聚合物可以包括丁二烯。弹性体聚合物可以包括苯乙烯。除了天然或合成橡胶之外，废弃轮胎材料可以包括炭黑，其可以是用于轮胎着色和增强的细晶粒碳材料；轮胎材料中的总碳含量可以在废弃轮胎材料的67％至76％的范围内变化，这取决于诸如轮胎是用于客运还是货物运输、它们是用于道路使用还是越野使用、以及它们适用于夏季或冬季天气等因素。废弃轮胎材料可以包括金属，例如用于加强轮胎的钢，例如具有钢带的子午线轮胎(radials)。轮胎废弃材料可以包括用于加强轮胎的天然或合成纺织材料，例如丝、棉、尼龙或对位芳族(para-aramid)纤维。轮胎废弃材料可以包括硫，例如为了硫化而添加的硫。轮胎废弃材料可以包括其他添加剂，例如氧化锌和粘土。为了清楚起见，处于从废弃轮胎材料提取材料的过程中的废弃轮胎材料被称为废弃轮胎材料，甚至在经过如下所公开的一个或多个过程阶段、已经从废弃轮胎材料中提取了一些产物而改变了其化学或物理成分之后，也被称为废弃轮胎材料。
所公开的设备和方法的一些实施例涉及使用化学转化从废弃轮胎材料中提取产物。在一些实施例中，转化是一种过程，借此诸如废弃轮胎材料的物质利用热量被分解成更简单的成分。所公开的设备和方法的一些实施例涉及使用热解从废弃轮胎材料中提取产物。在一些实施例中，热解涉及在水的存在下加热废弃轮胎或其它含有橡胶的材料，将他们转化为更简单和更小的有机化合物。在所公开的方法的一些实施例中，所产生的材料的一部分超过废弃轮胎材料的原始质量，这是通过添加从由水注入器7引入反应器中的水中的水分子释放的氢和氧而实现的；所公开的过程的一些实施例的使用因此意外地产生比根据先前的方法可产生的更高产率的有用材料。这一过程可以伴随着炭黑、气体和油的生产。工业过程通常以连续模式实施，其中，新的材料不断地到达反应器，并且固体产物和任何残留物被不断地移除。由于转化而生产的产物可包括炭黑、气体和油；气体和油可具有有助于其用作燃料的性质。
在一些实施例中，所公开的过程和设备从轮胎废弃材料中提取炭黑用于商业用途。根据宾夕法尼亚州West Conshohoken的美国材料与试验协会(American Society forTesting and Materials(ASTM))的定义，碳黑可以按照几个特征进行分类，其中三个主要特征可能是特别重要的：粒径、结构尺寸和表面。这些特征的组合可主要决定炭黑的价值及其对各工业的适用性。所公开的方法和设备的实施例具有控制所提取的炭黑中的那些特征的有利能力。在一些实施例中，如下文进一步详细描述的，碳黑特征的控制伴随着被测量的水的添加以及在材料转化的某些阶段保持特定温度。
反应器100可以采用适于在下文描述的方法600中使用的任意材料来制造。用于制造反应器100的材料可以包括耐高温钢。用于制造反应器100的材料可以包括陶瓷材料。用于制造反应器100的材料可以包括例如石英或硅石的其它材料。反应器100可以包括一个或多个管状部段，废弃轮胎材料在所述一个或多个管状部段中放置和加热。加热可以使用适用于实现第一、第二和第三温度的任何过程来完成。例如，加热可以使用气体或液体燃料喷头16完成；在一些实施例中，喷头16围绕管的一部分布置成弓形阵列，如图1B所示。在其他实施例中，围绕管缠绕的加热元件可用于加热管；加热元件可以是电学的。
反应器100包括传送机构12，该传送机构将废弃轮胎材料从预处理区域移动到初级处理区域，从初级处理区域移动到次级处理区域，并且从次级处理区域移动到后处理区域。在一些实施例中，传送机构12进一步包括螺杆输送器13。在一些实施例中，螺杆输送器13是具有在适当位置位旋转的至少一个螺杆12a的装置，其具有一个或多个螺纹17，也被称为螺旋叶片，螺旋叶片的旋转导致废弃轮胎材料在与所述至少一个螺杆的旋转轴向的方向18上移动。图2A示出包括在螺杆输送器中的螺杆12a的一个实施例。螺杆12a可以是螺旋螺杆；螺杆的一个或多个螺纹17可以是螺旋状的。螺旋螺杆可以具有中心轴19，螺旋螺纹固定到中心轴19。螺杆输送器可以具有基本上在螺杆输送器的全部长度上延伸的单个螺杆。螺杆输送器可以具有多个螺杆。螺杆输送器可以具有多个串联的螺杆；例如，在反应器具有串联连接的多于一个的管的情况下，螺杆输送器可以包括在第一管中的至少第一螺杆和在第二管中的至少第二螺杆。螺杆输送器可以包括多个并联的螺杆；例如，在反应器包括并联的两个或更多个管的情况下，螺杆输送器可以包括在第一管中的第一螺杆和在与第一管平行的第二管中的第二螺杆。螺杆输送器可以包括一些并联的螺杆和一些串联的螺杆。多个螺杆可以机械地链接，使得第一螺杆的旋转驱动第二螺杆的旋转。在其他实施例中，多个螺杆中的每一个由单独的机构驱动。一些螺杆可以被机械链接到彼此，而其他螺杆则由不同的机构驱动。
螺杆输送器可导致废弃轮胎材料在输送器的不同部分中以不同的速率前进。在一些实施例中，在螺杆输送器包括多个螺杆的情况下，第一螺杆可以以第一速率转动，而第二螺杆以不同于第一速率的第二速率转动；因此，对于给定的导程或螺距，第一螺杆可比第二螺杆更快或更慢地移动废弃轮胎材料。在一些实施例中，调节至少一个螺杆的旋转速度以改变废弃轮胎材料的前进速度。在一个实施例中，反应器100包括允许使用者改变一个或多个螺杆的旋转速度的一个或多个手动控件；例如，用户可以观察指示转化过程如何进行的传感器输出或其他信息，并且可以加速或减慢一个或多个输送器螺杆以确保该过程更慢地执行(例如，为了确保更完全的转化)或更快地执行(例如，为了在转化率高于通过反应器的材料移动速率的情况下提高产量)。在其他实施例中，诸如微处理器、计算机或其他模拟的、数字的或机械自动化的控制系统的处理器(未示出)响应于转化过程中的一个或多个检测到的改变来改变一个或多个螺杆的旋转速率。
在又一实施例中，螺杆输送器具有可变导程。在一个实施例中，导程是由螺杆的单次旋转导致的轴向移位的量。导程可以通过改变螺距来改变，如图2A所示，其中，螺距定义为相邻的螺纹的波峰之间的轴向距离；例如，导程可以通过增加螺距来增加。导程可以通过增加或移除螺纹来改变，并且由此增加或减小给定螺杆上的“起始点(starts)”的数量；例如，以给定螺距增加第二起始点可以使导程加倍。在一些实施例中，导程可以通过调节螺距和螺纹的数量二者来改变。导程可以在单一的螺杆上改变；例如，如图2A所示，一个螺杆可以具有改变的螺距。类似地，单一螺杆可以具有螺纹数量较多的部分和螺纹数量较少的部分。在另一实施例中，导程可以从一个螺杆到另一螺杆发生改变；例如，第一螺杆可以具有第一导程，且第二螺杆可以具有不同于第一导程的第二导程。在一些实施例中，螺杆输送器接近反应器的起始部具有更高的导程，其朝向反应器的端部逐渐降低至更低的导程，从而针对随着废弃轮胎材料被转化和导致的产物被提取的质量的损失而起作用。
在一些实施例中，传送机构12包括集成部段，其每一个以材料推进叶片和材料混合叶片两者为特征。例如，螺杆输送器可以进一步包括一个或多个混合叶片。在一些实施例中，螺杆输送器包括固定至螺杆输送器的多个混合叶片30a-l；混合叶片30a-l可以以与所述混合叶片固定至其的螺杆12a相同的角速度旋转。在一些实施例中，混合叶片30a-l定位在螺杆12a的螺纹之间。为了本文的目的，如果混合叶片30a-l定位在沿轴向方向行进的螺杆的螺纹17的两个相邻的波峰之间的波谷中，则混合叶片30a-l定位在两个相邻的螺纹之间，如图2A-C所示。
对于螺纹的每个步长可以具有少于一个的叶片30a-l，其中，步长是在轴向方向上从第一螺纹波峰和第二螺纹波峰之间的一个槽至第二螺纹波峰的另一侧的槽的行程。对于螺纹的每个步长可以具有一个或多个叶片30a-l；例如，如图2A所示，对于螺纹的每个步长可以具有两个混合叶片30a-f。作为另一示例，如图2C所示，对于每个步长可存在四个混合叶片30g。对于每个步长的混合叶片的数量可以在螺杆12a的长度上改变。对于螺纹的每个步长，叶片可以以基本相同的旋转角度出现，如图2A所示，即，第一叶片30a和在螺纹的下一步长中的对应的叶片30c可以在平行于螺杆12a的轴线的基本上相同的线上定位。在另一实施例中，如图2C所示，每个相继的步长中的叶片的位置相对于前一步长中的叶片的位置偏移。例如，如图2B所示，叶片30h可以定位成从前一步长30g中的对应的叶片30g偏移一定量的角度或弧度；在一些实施例中，偏移是固定的，使得相继的叶片段30g-l形成基本上规则的螺旋图案。在另一实施例中，偏移量根据螺杆的长度的一些函数改变；偏移量也可以任意地改变。
混合叶片30a-l可以具有任何有助于搅拌废弃轮胎材料的形状。例如，混合叶片30a-l的面可以具有任何弯曲的或多边形的外周，或弯曲的或多边形的形式的任意组合。叶片30a-l可以具有一个或多个突出部，例如指部或齿部。叶片30a-l可以具有一个或多个凹陷。可以存在穿过叶片30a-l的一个或多个孔。面可以取向为正交于螺杆12a的轴线、平行于螺杆的轴线、或相对于螺杆的轴线具有任意的其它的角度。叶片30a-f可以基本上是直的；叶片30a-f可以是扭曲的。叶片30a-f可以呈现出凸形或凹形的表面。
叶片30a-l可以相对于从螺杆12a的轴线引出且与叶片30a-1相交的线成任何角度定位。例如，在叶片30a-1的面基本上是平面的情况下，叶片30a-1的面可以平行于从螺杆12a的轴线径向引出并且与叶片相交的线，如图2A所示。在一些实施例中，叶片相对于与叶片相交的径向引出的线形成非0的角度，如图2B-C所示。例如，如图2C所示，其示出具有如图2B所示的混合叶片的螺杆的实施例的截面视图，每个叶片30g-1可以相对于与最靠近螺杆12a的轴线的叶片的边缘相交的径向引出的线形成大约45度(π/4弧度)的角度。在一些实施例中，每个叶片与从轴线的和最靠近的叶片的边缘相交的径向线形成的角度从一个叶片到下一个改变。在一些实施例中，在图2C所示的叶片成角度的情况中，它们如所示的沿逆时针方向旋转；换言之，螺杆12a可以旋转，使得叶片30g-1的边缘进一步离开旋转轴线。
成对的叶片30a-l跨螺杆12a的旋转轴线相对于彼此相对地定位。例如，在叶片正交于轴线定位的情况下，第一叶片30a可以在第一方向上正交于螺杆12a的旋转轴线突出，并且第二叶片30b可以在关于旋转轴线相对于第一方向大约180度(π弧度)的第二方向上正交于螺杆12a的旋转轴线突出；在一些实施例中，第一叶片和第二叶片正交于轴线上的同一点，而在其它实施例中，第一叶片与第二叶片正交于轴线上的不同点。
在一些实施例中，如图2A所示，混合叶片30a-f附接至轴19。在另一实施例中，如图2B所示，混合叶片30g-l并非直接连接至轴19。例如，每个叶片30g-l具有附接至螺杆12a的螺纹17中的一个的第一端部。在一些实施例中，每个叶片30a-l定位在两个相邻的螺纹之间，并且具有附接至第一螺纹的第一端部和附接至第二螺纹的第二端部。在一些实施例中，在每个混合叶片30g-l和轴19之间存在空间。作为非限制示例，例如，在反应器管的直径是50厘米的情况下，其中如图2C所示，例如螺杆输送器的螺纹规则地定位为以10厘米分开，每个叶片30a-l可以10厘米长，其一个端部固定至两个相邻的螺纹中的每一个，且每个叶片30a-l2厘米宽；结果，在每个叶片30a-l和轴19之间存在相当大的空间。
在一些实施例中，混合叶片30a-l的构造沿着一个螺杆12a的长度改变；例如，角度、每转叶片的频率(frequency of blades per rotation)、表面面积、形状、和叶片与轴或螺纹之间的空间可以沿螺纹12a的长度改变。作为进一步的示例，在一个实施例中，螺杆输送器具有恒定的导程和混合叶片30a-1。另一实施例将集成的混合叶片30a-l和可变导程相组合。类似地，叶片的构造可以从一个螺杆到另一个改变。叶片的构造可以从反应器100的一个区域到另一个区域改变；例如，混合叶片30a-1可以存在于初级处理区域2和次级处理区域3中的所有螺杆上，且不存在于预处理区域1和后处理区域4中的全部螺杆上。
叶片的旋转可以搅拌废弃轮胎材料，同时螺纹导致轮胎材料沿着螺杆输送器轴向前进。在一些实施例中，废弃轮胎材料的机械搅动和废弃轮胎材料沿着螺杆输送器的移动速率变化使得能够更好地控制转化期间提取的产物的品质和范围。在一些实施例中，这改善了材料混合的品质和完成度，这继而使得尽管材料具有低导热率，仍然可以等同加热移动通过反应器的全部质量的废弃轮胎材料；这继而可以保证输出产物的品质。
在另一实施例中，如图2D所示，传送机构12包括一个或多个材料推进部段12b和一个或多个材料掺合部段12c。在一些实施例中，所述一个或多个材料推进部段12b与一组或多组的掺合部段12c交替。材料推进部段12b可以是如上所述的任何材料推进机构；例如，材料推进部段12b可以包括一个或多个螺杆输送器，其可以具有变化的或固定的导程，并且可以以变化的或固定的速度转动，如上所述。掺合部段12c可以包括一个或多个混合叶片；如上所述，混合叶片可以具有适合于混合叶片30a-1的任何形式。例如，混合叶片可以附接至旋转轴12d，旋转轴可以是与相邻的螺杆输送器相同的轴，或者可以是分离的轴。至少一个材料掺合部段12c的轴12d可以以恒定或可变的速度转动；两个不同的材料掺合部段12c的轴可以以两种不同的速度转动。在一些实施例中，一个材料掺合部段12c的轴12d可具有可变速度，由用户或处理器调节，如上文关于调节螺杆12a的旋转速度的调节所述。混合叶片12e可以从轴径向地突出，或者相对于从轴的旋转轴线径向地引出的线形成任何角度。
反应器100可以包括至少一个管，所述至少一个管包括预处理区域、所述至少一个初级处理区域、所述至少一个次级处理区域和后处理区域。所述至少一个管可以是一个管；例如，在一些实施例中，反应器100可以包括单个的管，其分成至少预处理区域1，至少一个初级处理区域2，至少一个次级处理区域3和后处理区域4。在另一实施例中，所述至少一个管多个管。例如，如图1A所示，所述至少一个管可以包括：包括预处理区域的第一管70、包括至少一个初级处理区域的至少一个第二管71、包括至少一个次级处理区域的至少一个第三管72以及包括后处理区域的第四管73。
在一些实施例中，如图3A-3B所示，所述至少一个管中的一些由加热外壳60围绕。该共用的外壳可以通过具有进气口62和排气口的气体燃烧器61加热到大约300摄氏度的内部温度；外壳60可具有允许来自气体燃烧器61的排气逸出的排气口63。在一些实施例中，在外壳60内的温度大约为300摄氏度的同时，温度可以在从在外壳的外壁处的300摄氏度至靠近气体燃烧器定位位置的内部区域中的700摄氏度或更高的范围。在一些实施例中，与被加热的处理区域相邻的外壳区域具有相应更高的温度。例如，在一些实施例中，预处理区域被外壳气氛(enclosure atmosphere)加热，同时初级处理区域和次级处理区域另外地被气体燃烧器加热。作为非限制性示例，外壳气氛可以是300摄氏度。在一些实施例中，加热外壳围绕所述至少一个管的包括初级和次级处理区域的部分，同时加热外壳不包围所述至少一个管的包括后处理区域的部分。后处理区域可以另外地缠绕在冷却系统中，如下面进一步详细阐述的。本领域技术人员将意识到，加热外壳60可以与本文描述的区域和管的任何构造一起使用。
所示至少一个管可以包括串联布置的多个管。例如，如图4所示，反应器100可以包括串联的多个竖直布置的管51、52、53。废弃轮胎材料可以通过重力从一个管51前进到下一个管52；例如，可以存在至少一个竖直管54将一个管51连接到下一个管，在废弃轮胎材料前进到至少一个竖直管54的上部开口时，废弃轮胎材料可以落入该下一个管中；随后的管52中的传送机构12然后可以推进废弃轮胎材料通过该管。所述至少一个竖直管54可以包括漏斗形部分；该至少一个竖直管54可以包括料斗。在一些实施例中，预处理区域和第一初级区域包括在第一管51中，第二初级处理区域包括在连接到第一管51的第二管52中，并且次级处理区域和后处理区域包括在连接到第二管52的第三管53中。在一些实施例中，每个区域处于单独的管中。在其他实施例中，区域1-3中的两个或更多个被包括在一个管中；由每个区域1-3占据的管51-53的总长度的比例可以由在每个区域中处理废弃轮胎材料所花费的时间量来确定；例如，如果废弃轮胎材料在初级处理区2中花费更多时间，则初级处理区2可占据管的总长度的更大比例。通过维持第一管中的第一温度和蒸汽密度条件以及第二管中的第二温度和蒸汽密度条件，多个反应器管还可以允许从一个区域到另一个区域维持不同的温度和蒸汽密度条件。
在其它实施例中，所述至少一个管还包括并联布置的多个管。换言之，在一些实施例中，如图3A-3B所示，反应器100包括一个或多个平行的管20，废弃轮胎材料通过这些管。例如，反应器100可以包括两个或更多个平行管，其中每个管具有预处理区域、初级处理区域、次级处理区域和后处理区域。在一些实施例中，存在四个平行管。输入料斗5可以通过分割到四个轴中的共用的闸门供给至所有四个管中，每个轴通向四个管中的一个；在重力和/或机械辅助下，废弃轮胎材料可以以基本相同的量被供给至四个轴中的每一个。
预处理区域1被维持在第一温度，如下面进一步详细描述的。在一些实施例中，第一温度在300摄氏度至700摄氏度的范围内。随着废弃轮胎材料移动通过预处理区域1，废弃轮胎材料可逐渐升温至第一温度。初级处理区域2被维持在第二温度；第二温度可以在700摄氏度至890摄氏度的范围内。随着废弃轮胎材料移动通过初级处理区域2，废弃轮胎材料可逐渐升温。
反应器100包括维持在第三温度的次级处理区域3。第三温度可以在700摄氏度至890摄氏度的范围内，或者第三温度可以为900摄氏度或更高，这取决于期望的结果，如下文进一步详细说明书。反应器100包括水注入系统7，其将水引导至次级处理区域3的内部。水注入系统7可以引导液体、蒸汽、或水蒸汽和液体水的组合的形式的水。水注入系统7可以包括一个或多个喷嘴(未示出)，其将水注入相应的区域中。所述一个或多个喷嘴可以经由管连接至由转化过程产生的气体加热的水蒸汽发生器8。水蒸汽发生器8可以是锅炉；在一些实施例中，使用以下所述的过程600期间提取的气体来加热水蒸汽发生器8。如下所述，可以在该过程的各个阶段添加水。例如，在一些实施例中，水注入系统7还将水添加到初级处理区域2。在一些实施例中，将水引入次级或初级区域增强了对提取的产物的品质和量的控制。
反应器100包括维持在第四温度的后处理区域4。第四温度可以在80摄氏度至300摄氏度的范围内。如下面进一步详细描述的，在提取材料期间温度可进一步下降。在一些实施例中，如图3B所示，后处理区域4包括围绕后处理区域的冷却系统63；其中，后处理区4被包括在所述至少一个管中，冷却系统63可以在后处理区4的区域中围绕所述至少一个管缠绕。冷却系统63可以包括一个或多个管，流体通过该一个或多个管流动；流体可从后处理区域4吸收热量，并与另一对象交换热量。管可以由诸如金属的导热材料构成。流体可以被泵送或以其他方式强制通过管。在一些实施例中，冷却系统与预处理区热接触；例如，管中的流体可将热量传送到预处理区域以增加预处理区域的温度。在一些实施例中，水注入系统7被构造为将液态水、水蒸气或液态水和水蒸气的组合引入到后处理区域中。
反应器100可以包括用于收集从废弃轮胎材料提取的产物的一个或多个部件。可以从冷却的后处理区域4中提取固体产物。可以存在允许固体材料在重力作用下离开冷却区域4的管6。管6可以具有漏斗状部分。管6可以具有气锁；气锁可以保持反应器100内的低氧气氛。如图5所示，反应器100可以包括油水分离器21或油、气和水分离器22；气体可以通过气体泵28被移除到气体存储罐29。被分离的油可以存储在至少一个油接收器23中。洗涤器(未示出)可以将气体彼此分离。固体材料也可以由各种部件分拣。例如，输出金属分离器36可以从固体产物中除去金属(如果它在预处理区域之前未被移除)，并且将金属沉积在输出金属接收器37中。剩余的和被分离的灰分可以沉积在输出固体灰分材料接收器39中。炭黑可以沉积在炭黑接收器40中。
在一些实施例中，反应器100还包括在进入反应器100之前处理废弃轮胎材料的一个或多个部件。粉碎机31可以将废弃轮胎分成小块，从而增加废弃轮胎材料的表面面积以用于更高效的转化处理。在一些实施例中，金属分离器33在废弃轮胎材料进入反应器之前从废弃轮胎材料移除增强金属；金属可以存储在金属接收器34中。反应器100可以包括用于提取纺织材料的部件(未示出)；例如，反应器100可以包括绒毛(fluff)移除机器(未示出)。废弃轮胎可以通过加载料斗5进入反应器100；料斗5可以包括气锁，其可以维持反应器100内的低氧环境。
图6是示出了用于轮胎转化成输出产物的所公开方法600的一个实施例的流程图。方法600包括在反应器的预处理区域中将废弃轮胎材料加热到第一温度(601)。方法600包括在反应器的初级处理区域中将废弃轮胎材料加热到第二温度(602)。方法600包括在反应器的次级处理区域中将废弃轮胎材料加热到第三温度(603)。方法包括将水引入反应器的次级处理区域中(604)。方法600包括在反应器的后处理区域中将剩余材料冷却到第四温度(605)。
更详细地回顾图6，并且参考图1A-5，方法600包括在反应器的预处理区域中将废弃轮胎材料加热到第一温度(601)。在一些实施例中，废弃轮胎材料被放置在料斗5中，如图1A、3A-B、4和5所示；废弃轮胎材料可以通过手放置在料斗5中，或通过另一机械装置(未示出)，例如传输带。在插入料斗5之前，废弃轮胎材料可以通过切割、撕裂或碎裂而被成碎片。在一些实施例中，在插入到料斗中之前，废弃轮胎材料在轮胎粉碎机31中被粉碎。如图5所示的粉碎机31可将轮胎切成大块，其长度、宽度或深度的最大值为10-20厘米。粉碎机31可将轮胎切碎成中等大小的块，其长度、宽度或深度的最大值为4-10厘米。切碎机31可以将轮胎切成小块，其长度、宽度或深度的最大值为0.5至4厘米，或切成碎片，其长度、宽度或深度的最大值为2-5毫米。
在一些实施例中，在将废弃轮胎材料插入预处理区域1之前，将金属材料(例如加强钢)从废弃轮胎材料中移除。这可以通过图5中的金属强化物提取器33和金属强化物接收器34来执行。在一些实施例中，在插入图1A的预处理区域中1之前，将纺织材料从废弃轮胎材料中移除。
在一些实施例中，第一温度在300摄氏度到450摄氏度的范围内。废弃轮胎材料随其通过预处理区域可通过逐渐升温而达到此温度。在一些实施例中，废弃轮胎材料在其通过图1的预处理区域1的行程的大致中点处达到第一温度。
方法600包括在反应器的初级处理区域中将废弃轮胎材料加热到第二温度(602)。第二温度可以在700摄氏度至890摄氏度的范围内。随着废弃轮胎材料通过初级处理区域2，废弃轮胎材料可逐渐被加热到第二温度。在一些实施例中，其中图1A中的初级处理区域2的起始部靠近预处理区域的端部，例如其中图1A的预处理区域1、和初级处理区域2包括在同一管中，初级处理区域2的更高的温度可导致热量扩散到预处理区域1；这可以产生在预处理区域1中的沿废弃轮胎材料的移动方向的增加的温度梯度。在其他实施例中，例如在预处理区域1被包括在与初级处理区域2不同的管中的情况下，初级处理区域2的较高温度可能对预处理区域1的温度没有影响或有可忽略不计的影响。
在一些实施例中，将水引入初级处理区域2中。水可以以液态水的形式被引入。水可以以水蒸汽的形式被引入。水可以以水蒸汽和液态水的组合的形式被引入。
方法600包括在反应器的次级处理区域中将废弃轮胎材料加热到第三温度(603)。在一些实施例中，第三温度在700摄氏度至890摄氏度的范围内；在此温度，可从轮胎废料中产生炭黑。炭黑也可以在此温度提炼。在一些实施例中，在此阶段产生灰分；如下所述可以除去灰分。灰分可以由结合在废弃轮胎材料中的有机硅添加剂或其他材料产生。
在一些实施例中，加入水产生具有高孔隙率的炭黑。例如，炭黑的孔隙率可以使得氮气表面面积(N2SA)与统计厚度表面面积(STSA)之间的差异在90m2/g至250m2/g的范围内。
在另一实施例中，第三温度是900摄氏度或更高；在此温度，炭黑可转化为挥发性物质，包括气体。挥发性物质可能包括易燃气体。气体可以包括氢气(H2)。气体可能包括一氧化碳(CO)。气体可能包括二氧化碳(CO 2)。气体可能包括甲烷(CH4)。气体可能包括乙烷(C2H6)。气体可能包括丙烷(C3H8)。气体还可包括少量的其他气体。
方法包括将水引入反应器的次级处理区域中(604)。水可以以液体、蒸汽、或水蒸汽和液态水的组合的形式被引入。在一些实施例中，在700摄氏度至890摄氏度的温度范围内的水的引入可确保在该过程中产生的炭黑具有优异的品质；作为化学试剂起作用的水可以辅助生产更高品质的炭黑。可以以每秒材料质量的0％至150％的范围引入水质量，同时在材料转化的某些阶段温度处于700℃至890℃的水平。较低的水量和较低的温度可有助于生产接近N7XX或N6XX ASTM等级的炭黑材料。较高的水量和较高的温度可有助于生产接近N2XX或N1XX ASTM等级的炭黑材料。
在第三温度高于700摄氏度的情况下，根据以下方程，水蒸气的引入可导致来自水的氢气和氧气与来自废弃轮胎材料的碳结合形成更大量的燃气：CnHm(固体)+H2O(气体)→H2(气体)+CO(气体)+CO2(气体)+CnHm(液体)+CH4(气体)+C2H 2(气体)+C2H 6(气体)+C3H8(气体)+C4H10(气体)。在一些实施例中，在900摄氏度或更高的温度将适量的水引入图1A的次级处理区域3中除去固体废弃轮胎材料中的所有但留有不到1％(eliminates all butless than 1％)，留下灰分残留物。
图7A是示出在一个实施例中从废弃轮胎材料中提取材料的温度曲线图，在该实施例中，次级处理区域中的温度在700至890摄氏度范围内；所示出的特定比例仅用于示例性目的，并且实际上可以取决于废弃轮胎材料的成分，如上参照图1A-5所述。输出产品的总质量大于源轮胎材料质量的100％，因为如上文进一步详细描述的，这是因为额外的质量来自于水。图7B是示出在一个实施例中从废弃轮胎材料中提取材料的温度曲线图，在该实施例中，次级处理区域中的温度高于900摄氏度；所示出的特定比例仅用于示例性目的，并且实际上可以取决于废弃轮胎材料的成分，如上参照图1A-5所述。输出产品的总质量大于源轮胎材料质量的100％，因为如上文进一步详细描述的，这是因为额外的质量来自于水。
方法600包括在反应器的后处理区域中将剩余材料冷却到第四温度(605)。第四温度可以在80摄氏度至300摄氏度的范围内。如下面进一步详细描述的，在提取材料期间温度可能进一步下降。
该方法的一些实施例涉及机械搅动废弃轮胎材料。一个或多个材料混合叶片4，例如如图2A-D所示，可以在废料轮胎材料通过传送机构12时搅动废料轮胎材料。类似地，在传送机构12具有集成部段的情况下，每个部段都以材料推进叶片和混合叶片两者为特征，传送机构12可以机械地搅动废料轮胎材料。在一些实施例中，搅动废弃轮胎材料有助于增加废弃轮胎材料的表面面积对于由反应器100内的环境呈现的热量和水的暴露。废弃轮胎材料的搅动还可以确保废弃轮胎材料被均匀加热并暴露于热量和水。
反应器100内的气氛可以基本上与外部空气隔离。在一些实施例中，该方法包括维持反应器内基本上不含气态氧的环境。如图1A、3A-B、4和5所示，可以使用在输入料斗5和输出管6中的气锁保持基本上无氧的气氛。在一些实施例中，该方法包括维持反应器内的正常压力；正常压力可以是基本上等于反应器外部压力的压力。作为非限制性示例，海平面处的反应器内的正常压力可以是大约1个大气压(101325Pa)。
一些实施例涉及从图1的后处理区4中的废弃轮胎材料中移除金属。如图5所示，可以使用输出金属移除器36和输出金属接收器37来移除金属。在金属于插入图1的预处理区域1之前被移除的实施例中，在图1A的后处理区域4中可不存在用于移除的金属。在一些实施例中，该方法涉及从后处理区域中的废弃轮胎材料中移除灰分；被移除的灰分可以放置在图5的输出固体灰分接收器39中。一些实施例涉及从图1A的后处理区域4中移除炭黑。炭黑可以被移除至图5的输出炭黑接收器40。
该过程可涉及将废弃轮胎材料转化为挥发性液体和气体物质以及固体物质。在一些实施例中，方法600涉及分离由废弃轮胎材料释放的气态材料。这可以使用图5的气泵28来完成。在一些实施例中，气体与油和水蒸汽分离，这可以使用图5的油、水蒸汽和气体分离器22进行。可以使用诸如洗涤器(未示出)的装置将不同类型的气体(例如氢气和一氧化碳)彼此分离。被移除的气体可以包括但不限于二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氢气和其他可燃气体。在一些实施例中，方法600涉及分离由废弃轮胎材料释放的液体；在一些实施例中，大部分液体在初级和次级处理区域中产生。液体可以使用图5的油水分离器21或者使用图5的油、气和水分离器22分离。在一些实施例中，该方法涉及将液体材料分离成具有不同密度的多个油馏分；这可以使用油水分离器21或油、气和水分离器22来完成。在一些实施方案中，油被分离成重油、中油和轻油。
在一些实施例中，所提取的气体用作燃料以加热反应器100；例如，可以将提取的氢气、甲烷或其他可燃气体作为燃料气体15供给到气体喷嘴16中，如图5所示。所提取的气体可以燃烧以加热反应器100。在其他实施例中，所提取的气体被储存，例如用于商业用途。类似地，所提取的油可以用作燃料以加热反应器100；所提取的油可燃烧。在其他实施例中，所提取的油被储存，例如用于商业用途。
应理解，在不脱离本发明的精神或中心特征的情况下，本发明可以以其它具体形式实施。因此，当前的示例和实施例在所有方面均被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在此给出的细节。

Claims (20)

1.一种用于将废弃轮胎材料转化为输出产物的反应器，所述反应器包括：
预处理区域，其维持在第一平均温度；
至少一个初级处理区域，其维持在第二平均温度；
至少一个次级处理区域，其维持在第三平均温度；
后处理区域，其将废弃轮胎材料冷却至第四温度；
至少一个水注入器，其将水引导至所述至少一个次级处理区域的内部；以及
传送机构，其移动废弃轮胎材料跨过所述预处理区域、所述初级区域、所述次级区域和所述后处理区域。
2.如权利要求1所述的反应器，其中，所述后处理区域还包括在所述后处理区域周围的冷却系统。
3.如权利要求1所述的反应器，其中，所述传送机构包括一个或多个集成部段，每个集成部段以材料推进叶片和材料混合叶片二者为特征。
4.如权利要求1所述的反应器，其中，所述传送机构还包括多个交替的混合部段和推进部段。
5.如权利要求1所述的反应器，其中，所述传送机构还包括具有可变导程的螺杆输送器。
6.如权利要求1所述的反应器，其中，所述传送机构还包括具有固定至所述螺杆输送器的多个混合叶片的螺杆输送器。
7.如权利要求1所述的反应器，还包括至少一个管，所述至少一个管包括所述预处理区域、所述至少一个初级处理区域、所述至少一个次级处理区域和所述后处理区域。
8.如权利要求7所述的反应器，其中，所述至少一个管还包括串联布置的多个管。
9.如权利要求7所述的反应器，其中，所述至少一个管还包括并联布置的多个管。
10.如权利要求7所述的反应器，其中，所述至少一个管进一步包括：
第一管，其包括所述预处理区域；
至少一个第二管，其包括所述至少一个初级处理区域；
至少一个第三管，其包括所述至少一个次级处理区域；以及
第四管，其包括所述后处理区域。
11.如权利要求7所述的反应器，还包括围绕所述至少一个管的包括所述初级处理区域和所述次级处理区域的部分的加热外壳，其中，所述加热外壳不包围所述至少一个管的包括所述后处理区域的部分。
12.一种用于转化轮胎的方法，所述方法包括：
在反应器的预处理区域中加热废弃轮胎材料至第一温度；
在反应器的初级处理区域中加热废弃轮胎材料至第二温度；
在反应器的次级处理区域中加热废弃轮胎材料至第三温度；
将水引导至反应器的次级处理区域；以及，
在反应器的后处理区域中将固体残留物冷却至第四温度。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一温度在300摄氏度至700摄氏度的范围内。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述第二温度在700摄氏度至890摄氏度的范围内。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述第三温度在700摄氏度至890摄氏度的范围内。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述第三温度为900摄氏度或更高。
17.如权利要求12所述的方法，其中，所述废弃轮胎材料以每秒第一质量速率被引导至所述次级处理区域，并且还包括改变水的引导的每秒质量速率，以控制所产生的材料的品质。
18.如权利要求12所述的方法，还包括将水引导至所述初级处理区域。
19.如权利要求12所述的方法，还包括在反应器内维持接近正常大气压力。
20.一种炭黑，其根据权利要求14所述的方法生产，其中，所述炭黑具有在90m2/g至250m2/g的范围内的孔隙率。
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