CN109642044B - 用于热分解轮胎和其他废物的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于热分解轮胎和其他材料的装置和方法。该装置是具有不同区域的反应室，轮胎在所述不同区域中燃烧以提供用于热解聚反应的能量，发生解聚，并且产物离开反应室。在一个实施例中，该处理使水与存在于钢带轮胎中的铁反应以产生氢气，这帮助破坏硫化材料中的硫‑硫键。水还帮助控制反应的温度，这允许控制各种解聚产物的类型和相对量。

Description

用于热分解轮胎和其他废物的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于热分解(thermally de-manufacturing)消费后和/或工业化后的橡胶和/或塑料产物(诸如轮胎)的装置和方法。
背景技术
人们对回收废物有很大的兴趣，而不是将它们储存在垃圾填埋场中。对于用过的轮胎、消费后的废物以及由轮胎制造产生的废物(工业化后的废物)来说尤其如此。这些材料的燃烧会产生有害气体，因为它们包括硫交联(称为硫化的处理)，其在燃烧时形成硫化氢。
存在对使用过的轮胎中的橡胶进行解聚的很多方法，包括EP 0694600和美国专利No.7,628,892中所公开的那些方法。EP 0694600公开了一种方法和设备，其中,使用过的轮胎在相对低的压力下\并且在100℃和135℃之间的温度下解聚，以形成随后被燃烧的气体和液体产物。通过将水和空气引入装置中来维持温度。
美国专利No.7,628,892公开了一种设备，其包括解聚装置，其具有基本上圆柱形的主体，具有上基部和下基部。轮胎的热解聚发生在装置内部，并且产物混合物离开装置，并且随后进入相分离器，以将液体产物与气态产物分离开。相分离器连接到抽吸单元，这使得解聚装置能够在比大气压低达10mBar的压力下操作。该方法据称产生碳质燃料产物和燃烧的气态产物。
该‘892专利还公开了向轮胎添加氧化钙，使得当轮胎中的橡胶在存在蒸汽的情况下解聚时，氧化钙被转化为氢氧化钙，然后该氢氧化钙与硫反应，并形成盐,该盐随后与通过解聚处理回收的钢和碳混合。
提供用于热分解轮胎和其他废物流的改进的设备和方法将是有利的，其在一些实施例中不需要添加的钙盐以与橡胶硫化处理中使用的硫反应，并且如果期望的话，其允许脱硫在反应室(retort chamber)之外进行。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种用于热分解废旧轮胎、来自轮胎制造的废物以及其他消费后和工业化后的废物的装置。
术语“热分解”是指聚合物材料的热解聚，并且还指的是非聚合物组分的分解。举例来说，在轮胎被热分解的情况下，可以隔离由于解聚处理而产生的有机材料，并且还可以隔离无机材料(诸如来自钢带的钢)，以及硫化处理中使用的硫，其中硫可以以含硫化合物的形式隔离。在填充的聚合物制品中使用无机填料的情况下，填料可以与热解聚的制品单独地隔离。
分解装置包括反应室(在本文中也称为反应罐)，其优选地偏离水平面(例如，在竖直方向上)取向。反应室可以是任何期望的形状(例如圆柱形或圆锥形)，其直径在约1.5英尺和约24英尺之间，更特别地在约4英尺和约8英尺之间。反应室的高度通常在约5英尺和30英尺之间。反应室的侧壁可以是绝缘的，以帮助维持操作温度。
此外，如下面更详细地讨论的，反应室的底部处或附近的材料的燃烧或部分燃烧可以有利地提供用于在反应室中更高的位置处进行热解聚的热能。当反应罐基本上竖直时，其允许材料随着燃烧或部分燃烧的发生而向下流动。
反应室的内部包括四个不同的温度区域，这些温度区域的位置可以根据多种因素(诸如反应室内的氧气和水含量、反应温度和压力、以及被分解的材料的类型)而变化。
简而言之，它需要大量的热能来引发聚合物材料(诸如轮胎)的热解聚。在一些实施例中，通过加热反应室的外部，或者可选地通过使用微波能量，在外部提供该热能。在其他实施例中，由在反应室底部处或附近的轮胎或其他聚合材料的部分燃烧来提供热能。部分燃烧需要至少一些氧气，但是添加的氧气的量有目的地保持低于完全燃烧轮胎所需的化学计量量。热上升，并且通过部分地燃烧反应室的底部处或附近的部分材料而产生的热在反应室中上升，并提供使存在于反应室的产生热的部分之上的轮胎和/或其他聚合材料解聚所需的能量。在添加水的情况下，其可用于控制热的量，并且水还可在存在高温的情况下反应，并且在一些实施例中，其还可与来自轮胎的钢反应以形成氧气和氢气。氢气可有助于使轮胎中的橡胶脱硫，形成硫化氢或其他含硫化合物，并且可氢化烯烃化合物。如果期望，可以添加催化剂，以降低进一步的反应所需要的活化能，在解聚处理中产生的烯烃化合物可能参与所述的进一步的反应。
被解聚的材料的组合物，形成这些烯烃产物的反应室的区域中的温度、压力和流速，以及催化剂、氢气和/或水的存在或不存在会影响在材料解聚时形成的产物混合物以及参与进一步的处理步骤的初始产物。
在位于反应室底部处或附近的第一区域中，材料被加热至介于约150℃和约550℃之间的温度，更特别地在约150℃和约400℃之间或约250℃和约550℃之间，并且被燃烧或部分地燃烧。可以可选地提供水、催化剂和/或氧气。在提供氧气的情况下，它可以例如以纯净形式或作为空气通过位于反应室底部处或附近的阀提供。例如，可以通过经由反应室的壁中的开口引入燃烧器来在反应室的底部处或附近提供热。然后使用燃烧/部分燃烧材料所产生的热来实现期望的解聚温度。替代地，可以通过为反应室的底部提供一层耐火材料，并使用各种不同的加热器(诸如感应加热器)将耐火材料加热到期望的温度来提供热能。在其他实施例中，使用微波能量以使轮胎和/或其他材料解聚。
在一个实施例中，反应室的底部包括一系列的存储器，其中，在该系列存储器的一端引入氧气以及可选地水和/或催化剂，并且在该系列存储器的另一端引入来自燃烧器的火焰。燃烧器可以布置在承载架上，这便于其移动通过反应罐。存储器被间隔开以便沿着反应罐的整个底部提供基本上相等的压力。“基本上相等”意指沿着反应室底部的压力变化不超过20％。
在操作中，反应朝向中心移动，这与仅仅将燃烧器引入到存储器的一端相比，给正被燃烧的材料提供了相对恒定的燃烧速率。
在第一实施例中，提供了多个端口以允许氧气(例如，以纯净形式或作为空气)、水和/或催化剂中的一种或更多种的输入，以及产物的输出，并且测量和管理流速、温度和压力。
在第二实施例中，使用多个输入和输出端口来形成用于形成多个产物的固体、液体和蒸汽的细化的多个区域。
在一些实施例中，用于硫化轮胎中的橡胶的硫诸如通过与形成硫化盐的化合物反应而在反应室内移除，并且在其他实施例中，硫存在于产物流中，其中可选地但优选地在产物隔离之前移除硫。在一个实施例中，脱硫单元附接到端口，使得产物可以经受脱硫条件。
在一个实施例中，使用旋风分离器移除存在于蒸汽中的颗粒。如果使用脱硫单元，则旋风分离器可在脱硫单元之前或之后附接，但优选地在脱硫单元之前附接以使脱硫单元的颗粒污染最小化。
虽然离开反应罐的产物处于气相，在室温下，一些产物是液体，而其他产物是气态的。该装置进一步包括产物分离单元，其包括一个或更多个冷却塔、蒸馏塔、冷却器、气流可以通过的液体帘等，用以冷却气体并将产物混合物分离成一种或更多种液体和一种或更多种气态产物。
热解聚通常在真空下进行，例如在约-0.8毫巴至约-200毫巴范围的压力下，更特别地在约0.8毫巴至约-50毫巴范围的压力下进行。为了实现该真空，真空泵或抽吸单元被附接在产物分离单元的端部处或附近。在一个实施例中，特别是当在解聚处理期间产生气体产物时，压力可增加至约8毫巴。即使当抽真空时，也可以通过各种产物的脱气(off-gassing)来达到这些压力。对来自反应罐的这些产物的释放的控制可以帮助控制压力。
气体产物可以被隔离，或者如果期望，可以被燃烧。如果它们将被燃烧，则该装置可以包括在真空泵或抽吸单元之后的燃烧器或发电机。当气体被燃烧时，燃烧器可用于产生热量，并且当气体被燃烧时，发电机可用于发电。
可打开反应罐的顶部以将待热分解的轮胎和/或其他材料装载到反应罐中。这可以通过使用蛤壳式罩、铰接件、螺旋盖、一系列凸缘等将顶部附接到反应罐的其余部分来实现。
在批次之间，可能期望冷却反应罐。虽然在操作中，水通常从反应罐底部处或附近的阀添加到反应罐，但在冷却操作期间，水也可以或替代地从反应罐的顶部处或附近的阀添加。这可以显著加速冷却处理，这允许比如果不从反应室的顶部添加水更快地处理下一批次。虽然不希望受特定理论束缚，但还认为，当轮胎热解聚时，存在于钢带中的铁与由于不完全燃烧而形成的一氧化碳(即，通过使用小于化学计量的氧气)和被引入以形成氢气的水以类似于“蒸汽-铁”处理的方式反应。由此形成的氢气可以破坏在轮胎中使用的硫化橡胶中存在的硫-硫键和碳-硫键，并形成硫化氢和其他含硫产物(包括但不限于COS)。
在批次之间，期望从反应罐中移除剩余的材料。在轮胎的情况下，剩余材料可以包括来自轮胎中的钢带的钢和炭黑。存在从反应罐中移除剩余材料的若干方式。一种示例性方式是在反应罐的底部上提供铰接件，并且在材料已经被热解聚之后打开底部，从而从反应罐中移除材料。另一种方式是提供如下的铰接件：该铰接件具有在反应罐的中部周围的水平轴线，以及用于旋转反应罐的马达。在顶部被移除之后，反应罐可关于铰接件的水平轴线旋转。从而，聚集在反应罐底部处的材料从反应罐的顶部退出。然后可以将反应罐旋转回到竖直位置，并且可以重新连接为了旋转反应罐而断开连接的任何管道、阀或其他连接。
在使用中，反应罐被打开并且待热分解的轮胎和/或其他材料被引入到反应罐中。闭合盖，并且以安全的方式将气体和其他挥发物清除出系统。例如，氮气或二氧化碳气体可流入反应罐中，并与气体和其他挥发物一起流出反应罐。这些化合物可以在压力下捕获、释放到大气中或燃烧。然后可以施加低压。系统被完全密封并且不允许有害或基于气味的蒸汽逸出。
然后加热位于反应室底部处或附近的待热解聚的轮胎或其他材料。取决于用于加热材料的机构，这可以包括将燃烧器引入到反应室的底部，并通过阀使氧气、水和/或催化剂渗流出，以便与材料形成反应，或者可以包括将氧气、水和/或催化剂引入反应室的底部，同时还加热存在于反应室底部处的耐火材料。
监测反应罐中的温度。当温度达到其合适的范围时，气态产物从一个或更多个端口逸出。从那里，气态产物可以经受用于移除颗粒的旋风分离器、用于移除硫化氢和其他含硫产物的脱硫步骤、和/或用于允许在室温下为液体的产物与在室温下为气态的产物分离的冷却处理。气态产物可被收集并储存、燃烧或用于发电。
随着反应进行，在反应室底部处或附近的轮胎和/或其他材料被消耗，并且然后来自被消耗的材料上面的材料利用重力沿着反应室向下行进，直到它们被解聚。
在反应完成后(这可以例如通过各个区域中的温度变化来判断)，反应可以例如通过经由在反应室的顶部处或附近的阀引入水来淬灭。
当反应室已经充分冷却时，水可以被排出。理想地，反应室在操作期间被密封，以便维持真空并符合安全规定。在每个批次完成之后，可以破坏密封，从反应室排出水，并从反应室移除固体材料。
在一个实施例中，这涉及打开反应室底部的铰接件以释放材料。在另一实施例中，这涉及移除顶部、使出口端口脱离联接、以及使反应罐围绕铰接件(其具有位于反应罐的中部处或附近的水平轴线)旋转。然后，材料从反应室的顶部脱落，然后可以将反应室移回到其原始的直立位置。
从热分解轮胎获得的产物通常包括炭黑、含硫化合物、钢(来自钢带)、具有类似于2号柴油特性的液体馏分(主要是烯烃)、甲烷气体，C2-4馏分、以及一种或更多种其它的气体，诸如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫以及氢气。烯烃馏分中的一种或多种烯烃可以进一步反应，诸如，通过与诸如丁二烯(例如由丁腈橡胶的解聚形成)的二烯进行狄尔斯-阿尔德反应以形成环脂化合物，烯烃二聚/三聚/低聚(具有相同的烯烃或具有两种或更多种不同的烯烃)以形成更大的烯烃，氢化以形成脂肪族化合物，以及芳构化反应。在反应室仍然潮湿时从反应室中移除固体产物可以便于炭黑的隔离。
除了轮胎之外或代替轮胎，可被分解的其他材料包括班伯里淤渣、医学废物、基于木材的废物、基于油的废物、植物物质、动物废物、人类废物、鱼废物、计算机废物、印刷电路板、来自拆卸汽车的“无价值的东西”以及沥青增量剂。
由这些材料的热分解产生的产物将不同于从轮胎获得的产物，并且根据聚合物经历热解聚的适当温度，操作温度也可以不同。
参考以下详细描述将更好地理解本发明。
附图说明
图1是示出通过本文所述的热解聚方法制备的油的组分的图表。
图2是本文描述的反应室的一个实施例的示意图。
图3是本文描述的反应室的另一实施例的示意图。
图4是本文描述的反应室的剖视图。
图5是当产物离开反应室时用以收集产物的装置的一个实施例的示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明涉及一种用于热分解废旧轮胎、源自轮胎制造的废物以及其他消费后和工业化后的废物的装置。
定义
如本文所使用的，术语“反应室”是指一种气密容器，其中，物质被加热用于化学反应，产生可以收集在收集容器中或用于进一步处理的气态产物。
如本文所使用的，术语“热分解”是指聚合物材料的热解聚，并且还指非聚合物组成的分解。举例来说，在热分解轮胎的情况下，可以隔离解聚处理所产生的有机材料，并且还可以隔离无机材料，诸如来自钢带的钢，以及硫化处理中使用的硫，其中硫可以以含硫化合物的形式隔离。在填充的聚合物制品中使用无机填料的情况下，填料可以与热解聚的制品单独地隔离。
I.反应室
该装置包括反应室(在本文中也称为反应罐(retort))，其优选地在竖直方向上定向(或不水平-偏离水平面)。
反应室的形状
反应室可以是任何期望的形状，例如圆柱形或圆锥形的形状
如下面更详细地讨论的，材料在反应室的底部处或附近的燃烧或部分燃烧提供了用于在反应室中更高的位置处进行热解聚的热能。当反应罐基本上竖直时，其允许材料随着燃烧或部分燃烧的发生而向下流动。
反应室的直径
反应室的直径对于进行本文所述的化学反应很重要。直径通常在约1.5英尺和约24英尺之间，更特别地在约4英尺和约8英尺之间。反应室的高度通常在约5至30英尺之间。反应室的侧壁可选地是绝缘的，以帮助维持操作温度。
虽然不希望受特定理论的束缚，但据信当直径在上面提供的范围内时，来自轮胎和/或其他材料的燃烧的热可以流动通过反应室并加热其他轮胎/其他材料，使得它们具有足够的热能以进行热解聚。
反应室内的温度区域
反应室的内部包括四个不同的温度区域，这些温度区域的位置可以根据多种因素而变化，诸如反应室内的氧气和水含量、反应温度和压力、以及被分解的材料的类型。
在位于反应室的底部处或附近的第一区域中，材料被加热到约900℃和约1300℃之间的温度并燃烧或部分燃烧。氧气、水和/或催化剂中的一种或更多种可以可选地通过位于反应室的底部处或附近的阀提供。可以例如以纯净形式或作为空气提供氧气。
解聚区域位于第一区域之上，并且化学作用在约150℃和约550℃之间(例如，在约150℃和400℃之间或在约250℃和约550℃之间)的温度下发生。
产物在高于解聚区域的区域离开反应室，并且产物离开反应室的温度通常在约100℃和280℃之间。
尽管可以监测实际解聚区域内的温度，但在操作上更容易通过监测产物混合物在通过一个或更多个出口端口离开反应室时的温度来监测反应的进程。
在反应器顶部附近，远离在反应器底部处提供的强热(intense heat)，温度通常在约60℃至约160℃的范围内。
反应室的底部
可以例如通过经由反应室的壁中的开口引入燃烧器来将热量提供到反应室的底部处或附近的第一区域。然后使用燃烧/部分燃烧材料产生的热以达到期望的解聚温度。替代地，可以通过为反应室的底部提供一层耐火材料并使用各种不同的加热器(诸如感应加热器)中的任一种将耐火材料加热至期望的温度来提供热能。
在一个实施例中，反应室的底部包括一系列存储器(register)，其中，氧气、空气、水和/或催化剂被引入该系列存储器的一端，并且来自燃烧器的火焰被引入到该系列存储器的另一端。燃烧器可以布置在承载架上，这便于燃烧器移动通过反应罐。存储器被间隔开以便沿着反应罐的整个底部提供基本上相等的压力。“基本上相等的”意指沿着反应室底部的压力变化不超过20％。
在操作中，随着燃烧器沿着承载架朝向反应室底部的中心移动，化学反应(即，燃烧轮胎和/或其他材料)朝向中心移动。与仅仅将燃烧器引入到存储器的一端相比，这为正在燃烧的材料提供了相对恒定的燃烧速率。
入口端口/出口端口
在第一实施例中，提供多个端口以允许输入氧气、空气、水和/或催化剂中的一者或多者，以及产物的输出，并且测量和管理流速、温度和压力。
在第二实施例中，使用多个输入端口和输出端口来形成用于产生多种产物的固体、液体和蒸汽的细化(refinement)的多个区域。
入口端口可以位于反应罐的底部处或附近，使得可以提供氧气/空气，并且可以提供水/蒸汽。还可以通过反应罐顶部处或顶部附近的入口端口提供水。
阀附接到每个入口端口以便控制输入到反应罐中的材料的量。
一个或更多个出口端口位于解聚区域上方，使得气态产物可以离开反应罐并且然后被收集。
脱硫单元
在一个实施例中，脱硫单元附接到端口，使得产物可以经受脱硫条件。
脱硫是用于从材料(诸如来自本文所述的热解聚处理的产物流)中移除硫的化学处理。
当产物流形成并离开反应室时，产物处于气相。当冷却时，可以单独地隔离一种或更多种在室温和大气压下为液体的产物与一种或更多种在室温和大气压下为气体的产物。
在一些实施例中，从与气态产物流隔离的液体产物中移除硫。在其他实施例中，从与气态产物流隔离的气态产物或从气态产物流中移除硫。
与从分离的液体和气体流移除硫相比，从气态产物流中移除硫可以更容易，并且由于这个原因，在气态产物首先离开反应室的点处(即，在它们已经被冷却和分离之前)包括脱硫单元可能是有利的。
用于从气流中移除硫的脱硫条件是本领域技术人员已知的。
例如，在美国专利No.7,687,047中描述了代表性的条件。在该专利中，包括H2S和COS的含硫气体与包括由分子式MnzZn(1-Z)Al2O4表征的置换固溶体的吸附剂接触。其他吸附剂床包括氧化铝和/或氧化锌。
在目标是同时移除COS、SO2和H2S的情况下，脱硫方法通常包括使包括这些硫化合物中的一种或更多种的气流与吸附区域中的吸附剂接触以产生产物气流和负载硫的吸附剂。这些吸附剂通常包括锌(Zn)，并且还可以包括金属助剂(诸如锰)，以及载体(诸如氧化铝)。一旦吸附剂用硫饱和，可以通过使至少一部分负载硫的吸附剂与再生气流在再生区域中接触，以产生再生的吸附剂和废气流，从而再生吸附剂。然后可以使再生的吸附剂的至少一部分返回到吸附区域。在吸附剂的再生产生SO2的情况下，气体可以被包含在适当的储存罐中，或被还原以形成元素硫。
除了移除硫之外或代替移除硫，在一个实施例中，脱卤单元用于从气流中移除氯或其他卤素。使用非均相催化和电解方法的还原脱卤可以使氯化气相污染物脱卤，同时避免由于缺氧而产生如二恶英的痕量污染物。由于卤素取代基的负电性特征，重度氯化的脂肪族化合物被热力学处理，用于通过电子给体(诸如元素氢)的还原脱卤(例如，在存在铂、钯或铑催化剂的情况下，可选地存在于碳、氧化铝、沸石、二氧化硅、氧化钛或氧化锆载体介质上，使气体与氢气反应)。氯还可以与过渡金属反应以形成共价键。
旋风分离器/颗粒移除
在一个实施例中，使用旋风分离器移除蒸汽中的颗粒。如果使用脱硫单元，则旋风分离器可在脱硫单元之前或之后附接，但优选地在脱硫单元之前附接以使脱硫单元的颗粒污染最小化。
如本文所使用的，旋风分离是通过涡旋分离从气态产物流中移除颗粒而不使用过滤器的方法。使用气体旋风分离器，并使用旋转效应和重力将固体与气体分离。该方法还可用于将液体的细小液滴与气流分离。
在称为旋风分离器的圆柱形或圆锥形容器内建立高速旋转气流。在以直线流通过旋风分离器的中心并从顶部离开旋风分离器之前，空气以螺旋型式流动，从旋风分离器的顶部(宽端)开始并在底部(窄)端终止。
旋转流中的相对大且致密的颗粒的惯性太大而不能遵循流的小半径曲线。当它们撞击外壁时，它们落到旋风分离器的底部，在那里它们可被移除。在锥形系统中，随着旋转流朝向旋风分离器的窄端移动，流的旋转半径减小，从而分离越来越小的颗粒。旋风分离器的几何形状与流速一起限定了旋风分离器的分割点，即，将以50％的效率从流中移除的颗粒的尺寸。大于分割点的颗粒将以更高的效率移除，而较小的颗粒将以较低的效率移除。
替代的旋风分离器设计使用旋风分离器内的二次空气流以防止收集的颗粒撞击壁，从而保护它们免受磨损。包含颗粒的一次空气流从旋风分离器的底部进入，并且通过固定的旋转叶片被迫进入螺旋旋转。二次空气流从旋风分离器的顶部进入，并且向下朝向底部移动，拦截来自一次空气的颗粒。二次空气流还允许收集器可选地水平地安装，因为它将颗粒推向收集区域，并且不仅仅依靠重力来执行该功能。
炼油领域的技术人员知道如何使用旋风分离，因为在炼油工业中使用类似的分离器以将催化剂颗粒与气态产物混合物分离。
产物分离/冷却单元
虽然离开反应罐的产物处于气相，在室温下，一些产物是液体，而其他产物是气态的。该装置进一步包括产物分离单元，其包括一个或更多个热交换器、冷却塔、蒸馏塔、冷却装置、气流可以通过的液体帘等，以冷却气体并将产物混合物分离成一种或更多种液体和一种或更多种气态产物。
在一些实施例中，努力收集尽可能多的在室温和大气压下为液体的产物流，并且在其他实施例中，努力将一种或更多种液体产物彼此分离。
在一些实施例中，努力收集单一产物流中的尽可能多的在室温和大气压下为气态的产物，并且在其他实施例中，努力将一种或更多种气体产物彼此分离。
通常，在它们的链中具有5个或更多个碳的烃类产物(即，C5+烃)在室温下是液体。气体产物通常包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、硫化氢、二氧化硫、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯中的一种或更多种。在它们的链中具有2-4个碳的那些烃类产物(即C2-4烃)可以例如使用脱甲烷塔(de-methanizer column)而与其他气体产物分离。具有3-4个碳的那些产物可以例如使用脱乙烷塔而与那些具有2个碳的产物分离。替代地，根据需要，倾向于具有相对高的BTU值的气态产物可以被燃烧并用于产生热能或电力。
气态产物流可以初始地通过一个或更多个热交换器，诸如冷凝器，以降低气流的温度，并获得第一液体产物流和第二气体流，该第一液体产物流和第二气体流由在第一冷却步骤中不液化的组分组成。
该液体产物流可以被泵送到气体最初被冷却的地方下游的位置，并且用于形成冷却液体帘，然后其可以与第二气体流接触。这将冷却第二气体流，并提供包括初始收集的液体和通过冷却第二气体流获得的那些液体的第二液体产物流。可以根据需要重复该处理。
通常，与气态产物流分离的第一产物是那些具有最大分子量的产物，并且从气态产物流中分离的最后产物是那些具有最小分子量的产物。
液体产物和气态产物的量将根据原料的性质和反应条件而变化。然而，使用本文所述的装置和技术热解聚的总液体产物含量(即，轮胎橡胶中被热解聚的“油含量”)通常为轮胎重量的约31％至约41％。甲烷含量通常为约25％。
在图1中示出了代表性的产物分布。存在具有在约6与9之间的碳的显著产物馏分(即，C6-9馏分)、具有在14至17之间的碳的显著馏分(即，C14-17馏分)和高于C24的适度馏分。在这种特定的产物分布中，根据信息和信念，被解聚的轮胎中的聚合物由具有这些链长的单体形成，这可以解释为什么几乎没有大小在C10-13范围内的材料。比C5轻的产物存在于气相中，并且不经受分析。如果在不同的温度和压力下操作，例如在比用于形成该特定产物流的温度和/或压力更高的温度和/或压力下操作，该初始产物流中的烯烃可以进一步反应以形成烯烃二聚体/三聚体/低聚物，可以参与与丁二烯或其他二烯的狄尔斯-阿尔德反应以形成环脂化合物，可变得氢化以形成脂肪族化合物，可进行芳构化反应以形成芳族化合物等。
由于C6-9馏分、C14-17馏分和C24+馏分的沸点非常不同，因此冷却产物混合物并分离这些类型的馏分在本领域技术人员的能力范围内。
为了管理成本，有利的是使用热交换器和液体产物的帘作为产物隔离单元的至少一部分。
真空泵/抽吸单元
热解聚在真空下进行，该真空通常在约-0.8至约-200毫巴的量级，更通常地在约-6至约-10毫巴之间。为了实现该真空，真空泵或抽吸单元被附接在产物分离单元的端部处或附近。在一些实施例中，特别是当产生气态产物时，压力可增加到达约8毫巴。
气体产物可以是隔离的，或者如果期望，可以燃烧。如果它们将被燃烧，则该装置可以包括在真空泵或抽吸单元之后的燃烧器(燃器(flare))或发电机。当气体燃烧时，燃烧器可用于产生热量，并且当气体燃烧时，发电机可用于发电。
冷却反应室
在批次之间，可能期望冷却反应罐。在操作中，通常将水从在反应罐的底部处或附近附接到入口端口的阀添加到反应罐中。在冷却操作期间，也可以或者替代地从在反应罐的顶部处或附近附接到入口端口的阀添加水。这可以显著加速冷却处理，这允许比如果不从反应室的顶部添加水更快地处理下一批次。
温度监测
存在多种方式来监测反应器内(诸如反应室的内部)的温度。示例包括温度表、热电偶、温度计和/或恒温器。温度计可以优选地位于热解聚的产物离开反应室的那些区域中(即，在解聚区域上方)，因为温度通常在约100至约280℃的范围内，并且这些是可以使用温度计测量的温度。然而，在反应器的温度超过约900℃的底部附近，以及在温度在250℃和550℃之间的解聚区域本身中，热电偶可能是测量温度的优选方式。
反应室的顶部
可打开反应罐的顶部以将待热分解的轮胎和/或其他材料装载到反应罐中。这可以通过使用蛤壳式罩、铰接件、螺旋盖、一系列凸缘等将顶部附接到反应罐的其余部分来实现。
反应室的顶部可以配备有一个或更多个入口端口，以及附接到这些端口的阀，以允许水流入反应罐中。替代地，入口端口和阀可以定位在反应室的实际顶部下方，但在反应罐的上部三分之一中，使得当打开顶部、移除未燃烧的材料以及添加待解聚的下一批材料时不必拆卸阀/端口。
从反应罐中移除固体材料
在批次之间，期望从反应罐中移除剩余的固体材料。在轮胎的情况下，剩余材料可以包括来自轮胎中的钢带的炭黑和钢。存在从反应罐中移除剩余材料的若干方式。一种示例性方式是在反应罐的底部上提供铰接件，并且在材料已经被热解聚之后拉打开底部，从而从反应罐中移除材料。
另一种方式是提供如下的铰接件：该铰接件具有大致位于反应罐的中部的水平轴线，以及用于使反应罐旋转的马达。在顶部被移除之后，反应罐可关于铰接件的水平轴线旋转。从而，聚集在反应罐的底部的材料从反应罐的顶部退出。然后可以将反应罐旋转回到竖直位置，并且可以重新连接为了旋转反应罐而断开连接的任何管道、阀或其他连接。
II.可以热分解的材料
在一个实施例中，轮胎是热分解的材料。轮胎可以来自轮胎制造商(即，工业化后废物)、来自垃圾填埋场(即，消费后废物)或两者。在该实施例的一些方面，废旧轮胎包含未硫化橡胶。
在轮胎来自轮胎制造商的情况下，由热解聚产生的单体可以返回给制造商，来自钢带轮胎的钢带也可以如此。在轮胎来自垃圾填埋场的情况下，产物混合物可用于产生比轮胎具有更高价值和更低体积的一种或更多种产物。在使用脱硫单元的情况下，产物将具有低硫含量，并且释放到环境中的硫的量将显著低于轮胎仅被燃烧的情况。
在一些实施例中，将轮胎完整地添加到反应室中，在其他实施例中，将轮胎切割成两块或更多块，并且将这些块添加到反应室中。
当轮胎被堆叠在反应室内时，存在大量可以被填充的空的空间(例如，用待解聚的其他材料填充)。应当保留合理量的空隙体积，使得热可以从反应室的底部转移到解聚区域。理想地，可以填充的空隙空间的量小于75％的体积，更具代表性地小于约50％的体积，并且更具代表性地小于约25％的体积。
除了轮胎之外或代替轮胎，可被分解的其他材料包括未硫化橡胶、班伯里淤渣、医学废物、基于木材的废物、基于油的废物、植物物质、动物废产、人类废物、鱼废物、计算机废物、印刷电路板、源自汽车的拆卸的“无价值的东西”以及沥青增量剂。
源自这些材料的热分解的产物将不同于从轮胎获得的产物，并且根据聚合物经历热解聚的适当温度，操作温度可能也不同。
III.热分解处理
在本文所述的处理中，反应室的顶部打开，并且添加待热解聚的轮胎和/或其他材料。通常地，轮胎从反应罐的底部到顶部堆叠在彼此的顶部上。这样，当底部附近的轮胎燃烧以提供用于解聚反应的热能时，堆叠在燃烧的轮胎上方的轮胎可以落下，从而提供用于燃烧的新鲜原料和用于解聚反应的连续热源。
在一些实施例中，热解聚在真空下进行，因为如果在高温下与空气接触，则气体会爆炸，并且因为热解聚遵循勒夏特利原理(即，将聚合物分子转化为许多单体分子，真空是有利的，而将许多单体分子转化为聚合物分子，压力是有利的)的原理。通常，为了确保空气和任何挥发性气体被移除，例如建立通过入口端口的氮气或二氧化碳气氛，然后使用真空泵或本文所述的用于提供真空的其他装置施加真空。流出反应罐的气体和其他挥发物可以在压力下被捕获、释放到大气中，或者根据处理、成本和价值而燃烧。
氮气、二氧化碳或其他惰性气体的使用是可选的，并且建立真空是可选的。通常地，进行热解聚的压力在约-0.8和约-200毫巴之间，更通常地在约-6和约-10毫巴之间。系统被完全密封，并且允许很少或没有有害或基于气味的蒸汽逸出。
一旦空气和挥发性气体被清除，并且可以建立真空，热就被添加到反应器的底部，将底部排的待热分解的轮胎和/或其他材料到加热约900℃和1300℃之间的温度。这可以使用任何合适的手段(诸如通过使用感应加热器、加热耐火材料、使用燃烧器等)来完成。
引入该热的一种特别有效的方式是在反应室的底部处或附近设置一系列的存储器。可以在该系列的存储器的一端引入诸如空气或氧气的燃烧剂，并且可以在该系列的存储器的另一端引入来自燃烧器的火焰。燃烧器可以布置在承载架(carriage)上，这便于燃烧器移动通过反应罐。存储器可以被间隔开以便提供沿着反应罐的整个底部基本上相等的压力。“基本上相等”意指沿着反应室的底部的压力变化不超过20％。
一旦轮胎达到这个温度，它们就会燃烧并产生热量。维持空气或氧气的稳定流，通过位于反应器底部处或附近的入口端口添加。因为氧气以低浓度存在，并且被阴燃轮胎消耗，所以这不会显著地增加压力。
一旦达到期望的温度，热将向上流动，并引起轮胎和/或其他材料的热解聚。用于轮胎中的橡胶的热解聚的期望温度范围在约100℃和280℃之间，但是在该温度范围的较高端，倾向于形成具有较低分子量的产物，并且在该温度范围的较低端，倾向于形成具有较高分子量的产物。
还通常通过在反应器底部或底部附近的入口端口添加水。水允许对反应温度进行一定程度的控制。虽然不希望受特定理论束缚，但还认为当轮胎热解聚时，存在于钢带中的铁与由于不完全燃烧而形成的一氧化碳(即，通过使用小于化学计量的氧气)和被引入以形成氢气的水以类似于“蒸汽-铁”的方式反应。由此形成的氢气可破坏在轮胎中使用的硫化橡胶中存在的硫-硫键和碳-硫键，并形成硫化氢和其他含硫产物(包括但不限于COS)。
本文描述的处理的独特之处在于它允许对产物分布进行一定程度的控制。例如，如果期望产生甲烷作为主要产物，则解聚反应可以在相对较高的温度下进行，如果期望隔离更多的单体，则解聚反应可以在相对较低的温度下进行。
无论大部分解聚发生的温度如何，当反应接近完成时温度将趋于升高。
在热解聚步骤期间监测反应罐中的温度。可以在反应室内的多个位置处监测温度。例如，可监测在反应器底部或底部附近的轮胎和/或其他材料的燃烧/阴燃，以确保温度保持在800℃-1300℃的范围内，更具代表性地在900℃-1300℃的范围内。可以监测解聚区域中的温度以确保温度保持在约150℃和550℃之间的范围内，更具代表性地，在约250℃-550℃之间或在约150℃和450℃之间的范围内，和/或可以监测离开反应室的产物的温度以确保温度保持在约100℃和约280℃之间的范围内。
当温度达到其合适的范围时，从所述端口(或所述多个端口)逸出气态产物。在那里，气态产物可经受用于移除颗粒的旋风分离器、用于移除硫化氢和其他含硫产物的脱硫步骤、和/或用于允许在室温下为液体的产物与在室温下为气态的产物分离的冷却处理。气态产物可被收集并储存、燃烧或用于发电。
可根据期望调节冷却处理，以组合所有气体和所有液体产物，或单独地隔离一种或更多种液体馏分和/或一种或更多种气体馏分。
随着反应的进行，在反应室底部处或附近的轮胎和/或其他材料被消耗，并且，在重力的作用下，来自所消耗材料上面的材料沿着反应室向下行进，直到它们被解聚。
在反应完成后(这可以例如通过各个区域中的温度变化来判断)，反应可以例如通过经由在反应室的顶部处或附近的阀引入水来淬灭。
当反应室已经充分冷却时，可以排出水，并且可以从反应室中移除固体材料。
在一个实施例中，这涉及打开反应室底部处的铰接件以释放材料。在另一实施例中，这涉及移除顶部、使出口端口解除联接、以及使反应罐围绕铰接件(其具有位于反应罐的中部处或附近的水平轴线)旋转。然后，材料从反应室的顶部脱出，然后可以将反应室移回到其原始的直立位置。
轮胎的热分解产物
从热分解轮胎获得的产物通常包括炭黑、含硫化合物、钢(来自钢带)、具有类似于2号柴油特性的液体馏分(主要是烯烃)、甲烷气体，C2-4馏分、以及一种或更多种其它的气体，诸如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫以及氢气。如上所述，在一些实施例中，烯烃馏分中的烯烃可以进一步反应以形成二聚物、三聚物和低聚物、环脂化合物、脂肪族化合物和/或芳族化合物。在反应室仍然潮湿时从反应室中移除固体产物可以便于炭黑的隔离。
示例
参考以下非限制性示例，将更好地理解本发明。
图2是本文描述的反应室的一个实施例的示意图。反应室(10)包括：顶部(20)；底部(30)；铰接件(40)，其位于顶部和/或底部处，以使用户能够引入待热解聚的材料和/或移除在热解聚处理之后保留的无机材料和其他剩余物；温度传感器(50)，其位于反应室的顶部附近、底部附近以及位于所述顶部和底部之间；承载架(60)，其用于接收燃烧器(70)；位于反应室的底部附近的两个入口端口(80)，和位于反应室的顶部附近的一个入口端口(80)；以及出口端口(90)，其位于反应室的顶部和底部之间。沿着底部，与燃烧器一致并且在燃烧器上方是存储器(100)。待热解聚的材料位于存储器之上。
在使用中，待热解聚的材料被引入到反应室(10)中，理想地通过打开在反应室(10)的顶部处的铰接件(40)进行，该铰接件(40)在材料被引入之后闭合。氧气或空气被引入穿过底部入口端口(80)中的一者，并且燃烧器(70)通过承载架(60)被引入。氧气/空气穿过存储器(100)，这允许在燃烧器(70)和氧气沿着反应器(20)的底部和在存储器(100)上方行进时基本上均匀地加热。
氧气/空气的量不足以导致待燃烧的材料的快速燃烧。相反，这导致待燃烧的材料(诸如轮胎)的底层的部分燃烧或阴燃。使用温度传感器(50)监测反应罐(10)的底部(30)处或附近的温度，以便保持在约900°F和1300°F之间的范围内。通过在反应罐(20)的底部处或附近的第二入口端口(80)将水添加到反应罐(10)中。水可以与铁反应形成氢气和氧化铁，例如，在待热解聚的材料包括轮胎、并且轮胎包括钢带的情况下。
当发生热解聚时，反应室中间的温度上升到如由第二热传感器(50)测量的期望范围，并且产生热解聚产物。该材料通过出口端口(90)离开反应罐(10)。
可以使用第三温度传感器(50)测量反应器(20)顶部处或附近的温度。
当反应完成时，可以通过经由反应器的底部处或附近的入口端口(80)以及可选地经由在反应器(20)的顶部处或附近的入口端口(80)添加更多的水来冷却反应罐。在解聚反应中未消耗的无机材料和其他材料可以例如通过打开反应器底部附近的铰接件(40)来移除。
图3是本文描述的反应室的另一实施例的示意图。在该实施例中，与前述实施例一样，反应室(10)包括顶部(20)和底部(30)、温度传感器(50)、用于燃烧器(未示出)的承载架(60)、位于反应罐(10)的底部(30)和顶部(20)处的入口端口(80)、出口端口(90)以及存储器(100)。然而，除了在反应罐(10)的顶部(20)处或附近的铰接件(40)之外，在反应室(10)的中部处或中部附近具有铰接件(40)，其允许反应罐(10)转动。在使用中，反应罐以与图2所示的实施例基本上相同的方式使用。然而，当完成热解聚步骤时，可以通过打开反应罐(20)的顶部并利用反应罐(40)中部或附近的铰接件使反应罐(10)旋转来移除剩余物。
图4是本文描述的反应室的剖视图。与其他附图一样，反应罐(10)包括顶部(20)和底部(30)、位于顶部(40)处或附近的铰接件、位于反应罐的底部和顶部的入口端口(80)，以及位于反应罐的顶部和底部处以及顶部和底部之间的温度传感器(50)。燃烧器(70)在中途插入到承载架(60)中。反应罐(10)的侧部被示出为填充有耐火材料(110)。
图5是用以在产物离开反应室时收集产物的装置的一个实施例的示意图。反应室(10)连接到出口端口(90)，并且产物可选地通过用于移除固体颗粒的旋风分离器室(120)和/或用于在材料仍然处于气相时使材料脱硫的脱硫室。可选地脱硫的材料通过一个或更多个冷却/冷凝单元(140)，并且液化的材料被收集在一个或更多个收集容器(150)中。解聚反应在真空下进行，并且使用真空泵(160)实现真空。真空泵(160)通过介于中间的旋风分离器室冷却/冷凝单元(140)、可选的脱硫室(130)、可选的旋风分离器(120)和出口端口(10)间接地连接至反应罐(10)。气态材料通过冷却/冷凝单元(140)并通过真空泵(160)，在那里其可选地使用燃器(170)进行燃烧。
在未示出的其他实施例中，气态物质可以通过脱甲烷塔，并且在压力下收集C2-4产物。如果期望，作为被燃烧的替代方案，可以在压力下将C1和下层产物(甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气等)装瓶，以备后用。不期望将这些气体直接释放到大气。
本文引用了各种公开物，其公开内容出于所有目的通过引用整体并入。
本发明在范围上不受本文描述的具体实施例的限制。实际上，除了所描述的那些之外，本发明的各种修改对于本领域技术人员而言从前面的描述和附图中将变得显而易见。这种修改旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种反应室，包括：
a)顶部；
b)底部；
c)加热器，其位于所述反应室的底部处或底部附近，所述加热器能够将所述底部加热至900℃和1300℃之间的温度，
d)两个或更多个入口端口，其位于所述反应室底部处或底部附近；
e)一个或更多个出口端口，其位于所述反应室顶部处或顶部附近；
f)若干个温度监测器，其位于所述反应室的顶部和底部处或顶部和底部附近；
g)温度监测器，其位于所述反应室的顶部和底部之间的距离的30％至70％之间的位置；以及
h)真空管线或抽吸器，其位于所述反应室的上部三分之一中。
2.根据权利要求1所述的反应室，其中，所述加热器是布置在承载架上的燃烧器，所述承载架适于允许所述燃烧器沿着所述反应室的底部移动。
3.根据权利要求1所述的反应室，其中，所述反应室的底部包括多个存储器，所述存储器被间隔开以便沿着反应罐的整个底部提供基本上相等的压力，其中，基本上相等意味着沿着所述反应室的底部的压力变化不超过20％。
4.根据权利要求1所述的反应室，其中，所述入口端口中的一者或更多者适于接收将被引入到所述反应室中的水的供应。
5.根据权利要求1所述的反应室，进一步包括所述入口端口中的位于所述反应室的顶部处或顶部附近的一者或更多者，这些入口端口适于接收将被引入到所述反应室中的水的供应。
6.根据权利要求1所述的反应室，其中，所述入口端口中的一者或更多者适于接收将被引入到所述反应室内的空气或氧气的供应。
7.根据权利要求1所述的反应室，其中，所述底部是铰接的，并且当打开时，允许从所述反应室移除材料。
8.根据权利要求1所述的反应室，其中，所述顶部是铰接的，并且当打开时，允许材料被引入到所述反应室中或从所述反应室移除。
9.根据权利要求8所述的反应室，进一步包括具有水平轴线的铰接件，所述铰接件适于允许所述反应室旋转，从而允许当盖打开并且所述反应室旋转使得所述反应室的顶部低于所述反应室的底部时从所述反应室移除材料。
10.根据权利要求1所述的反应室，进一步包括附接到所述出口端口中的一者的脱硫单元。
11.根据权利要求1所述的反应室，进一步包括附接至所述出口端口中的一者的旋风分离器单元，其中，所述旋风分离器单元适于从离开出口端口的气体产物流中移除颗粒。
12.根据权利要求1所述的反应室，进一步包括冷却或冷凝单元，其附接到所述出口端口中的一者，所述冷却或冷凝单元适于接收和冷却在进入所述冷却或冷凝单元的温度下处于气相的产物流，并且当冷却时，所述产物流的至少一部分处于液相。
13.根据权利要求12所述的反应室，进一步包括真空管线或抽吸器，其中，所述真空管线或抽吸器附接至所述冷却或冷凝单元。
14.一种用于热分解轮胎和/或其他材料的方法，包括：
a)用轮胎和/或其他材料装载根据权利要求1所述的反应室，
b)将挥发物和空气从所述反应室清除，使得在所述反应室内存在范围在-0.8毫巴和-200毫巴之间的真空，
c)将所述反应室底部处或底部附近的部分轮胎和/或其他材料加热到900℃和1300℃之间的温度，以及
d)使所述轮胎和/或其他材料热解聚以形成产物流，所述产物流通过出口端口离开所述反应室，所述产物流在离开所述反应室时处于气相中，
同时维持产物离开反应室的区域中的温度在100℃和280℃之间的温度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，压力在-6毫巴和-8毫巴之间。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，通过经由两个或更多个入口端口添加水和/或空气或氧气来维持所述温度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，待热分解的材料包括钢带轮胎，并且其中，水在900℃与1300℃之间的温度下与所述钢带轮胎中的钢反应以形成氢气。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述轮胎包括硫化橡胶，所述硫化橡胶包含硫-硫键和/或硫-碳键，并且所述氢气破坏所述硫化橡胶中的硫-硫键和/或硫-碳键。
19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括使所述产物流经受脱硫条件。
20.根据权利要求14所述的方法，进一步包括使所述产物流经受旋风分离器以移除颗粒。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述产物流包含在室温和大气压下为液体的一种或更多种产物、以及在室温和大气压下为气态的一种或更多种产物，
进一步包括使所述产物流经受冷却器或冷凝器单元，以便冷凝产物的在室温和大气压下为液体的部分。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，被热分解的所述轮胎和/或其他材料在反应器的温度在900℃和1300℃之间的区域与温度在100℃和280℃之间的区域之间的部分中经历热解聚反应。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，被热分解的材料包括轮胎，并且轮胎在反应器的底部处或底部附近燃烧以提供用以热解聚步骤的热能。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，产物组合物随产物流的温度从100℃至280℃的变化而变化，当温度相对较高时，相对较多的产物组合物具有相对较低的分子量，并且当温度相对较低时，相对较多的产物组合物具有相对较高的分子量。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，借助调节通过两个或更多个入口端口的水和/或空气或氧气的量来控制热解聚步骤的温度，并且因此控制产物组合物。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，在热解聚步骤完成之后，通过经由在所述反应室的顶部处或顶部附近的入口端口和/或在所述反应室的底部处或底部附近的入口端口将水引入到所述反应室内来冷却所述反应室。
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