CN111229422A - 利用在超音速气体涡流中产生的冲击波处理固体材料的系统和方法 - Google Patents

利用在超音速气体涡流中产生的冲击波处理固体材料的系统和方法 Download PDF

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Abstract

可以使用在超音速气体涡流中产生的冲击波对固体材料进行处理。可以将高速气体流引入到反应器中。反应器可以具有腔室、固体材料入口、气体入口和出口。可以通过气体入口将高速气体流引入到反应器的腔室中。高速气体流可以在所述腔室内实现超音速气体涡流。反应器可以被配置为使用在腔室内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎。可以通过固体材料入口将固体材料馈送到腔室中。可以通过借助于腔室内的冲击波实现的非研磨作用机制，在腔室内对固体材料进行处理。可以对通过反应器的出口传送的处理过的材料进行收集。

Description

利用在超音速气体涡流中产生的冲击波处理固体材料的系统 和方法
本申请是申请号为201580040835.2、申请日为2015年6月5日、发明名称为“利用在超音速气体涡流中产生的冲击波处理固体材料的系统和方法”的PCT国际发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及利用在超音速气体涡流中产生的冲击波处理固体材料的系统和方法。
背景技术
粉碎的常规方法可包括使用气流粉碎机。气流粉碎机可用于研磨一系列材料，特别是在进料较硬或者已经相对较细的情况下以及在需要无污染的高纯度产品的情况下。因为通过空气或蒸汽的多孔射流围绕中心环形腔室的周边驱动处理材料，所以可以在气流粉碎机的中心环形腔室中进行粉碎。可以不涉及研磨介质。通过磨耗而导致的尺寸的减小可能是处理材料本身的颗粒之间和/或处理材料的颗粒和腔室的内壁之间的高速碰撞以及所产生的压缩力的结果。
发明内容
本发明的一个方面涉及使用反应器的系统，所述反应器被配置为利用在超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎。使用本文提出的反应器的系统的一个或多个实施方式可以特别优于使用气流粉碎机的常规方案。例如，本文提出的系统的一个或多个实施方式可以有利地在系统的部件上仅产生最少的磨损。这可能至少部分由于：与在常规方案中使用的研磨和/或粉碎处理技术相比，本文提出的系统主要通过反应器内的冲击波的张力来促进对固体材料的处理。与一个或多个常规方案相比，本文提出的系统一个或多个实施方式可有助于更高的固体材料的生产量。与一个或多个常规方案相比，本文提出的系统的一个或多个实施方式可有助于以更高的功率效率处理固体材料。
在一个或多个实施方式中，系统可以包括固体材料进料器、反应器、气体源、贮存器和/或其他部件中的一个或多个。反应器可以具有腔室、固体材料入口、气体入口和出口。反应器可被配置为利用在腔室内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎。固体材料进料器可被配置为通过固体材料入口将固体材料提供到反应器的腔室中。可通过借助于腔室内的冲击波实现的研磨和/或非研磨作用机制(mechanism)，在腔室内对固体材料进行处理。
气体源可被配置为通过气体入口将高速气体流引入反应器的腔室中。高速气体流可以在腔室内实现超音速气体涡流。
贮存器可以被配置为收集通过反应器的出口传送的处理后的材料。
本发明的另一方面涉及使用在超音速气体涡流中产生的冲击波处理固体材料的方法。该方法可以包括以下步骤：将高速气体流引入到反应器中，所述反应器具有腔室、固体材料入口、气体入口和出口；通过所述固体材料入口将固体材料提供到所述腔室中；收集通过所述反应器的出口传送的处理后的材料；和/或其他操作。
可以通过气体入口将高速气体流引入到反应器的腔室中。高速气体流可以在腔室内实现超音速气体涡流。反应器可被配置为使用在腔室内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎。
通过借助于腔室内的冲击波实现的研磨和/或非研磨作用机制，可以在腔室内对通过固体材料入口提供到腔室中的固体材料进行处理。
通过考虑下面的参考附图的描述和所附的权利要求，本技术的这些和其他特征和特性以及结构的相关元件的操作方法和功能、部件的组合和制造的经济性将变得更加显而易见，其中，所有附图形成本说明书的一部分，附图中相同的参考标号表示各个附图中相对应的部件。然而，应当清楚地理解，附图仅用于说明和描述的目的，并且不旨在作为对本发明的限制的定义。除非上下文另有明确说明，否则在说明书和权利要求中使用的单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施方式的用于处理固体材料的系统。
图2示出了根据一个或多个实施方式的图1的系统。
图3示出了根据一个或多个实施方式的、在图1的系统中使用的反应器的顶视图。
图4示出了根据一个或多个实施方式的、图3的反应器的侧视图。
图5示出了根据一个或多个实施方式的、图3的反应器的后视图。
图6示出了根据一个或多个实施方式的、图3的反应器的气体入口的详细视图。
图7示出了根据一个或多个实施方式的、图6的气体入口的入口喷嘴的详细视图。
图8示出了根据一个或多个实施方式的处理固体材料的方法。
具体实施方式
图1示出了根据一个或多个实施方式的用于处理固体材料的系统100。系统100可以包括固体材料进料器102、反应器104、气体源106、贮存器108和/或其他部件中的一个或多个。作为非限制性的例子，可以使用系统100处理的固体材料可以包括土壤、煤、木片、食物废料、矿石和/或精矿、矿山尾矿、焦油砂、页岩、有机材料、无机材料、衍生自林业和/或农场废物的纤维素材料、家用和/或工业废物、纸板和/或碎布、医疗废物、废塑料、废物、玻璃、飞灰、硅质副产品、金属精炼厂产生的废物、发电站产生的废物、废橡胶和/或其他材料中的一个或多个。本文提出了系统100的各种示例性的实施方式。简言之，在本文中，可将使用系统100处理的固体材料成为“固体材料”、“固体进料”、“处理材料”、“正被处理的材料”、“固体处理材料”、“固体的正被处理的材料”、“要处理的材料”、“要处理的固体材料”、和/或指示可根据本文提出的一个或多个实施方式处理的固体材料的其他术语。
反应器104可被配置为使用在反应器104的腔室302内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎。反应器104可以包括腔室302、气体入口304、固体材料入口306、出口308和/或其他部件。固体材料进料器102可被配置为通过反应器104的固体材料入口306将固体材料提供到反应器104的腔室302中以进行处理。可以在腔室302内通过借助于腔室302内的冲击波实现的研磨和/或非研磨作用机制来处理固体材料。
反应器104可以是配置成实现如本文所述的反应器104的一个或多个预期功能的反应器。为了示例性的目的，在此参考图3-7提出反应器104的示例性实施方式。然而，本领域技术人员可以认识到并且可以预料，可以适用于本文提出的预期目的其他反应器和/或反应器类型。在一些实施方式中，系统100可以包括与2014年6月6日提交的题为“A ReactorConfigured To Facilitate Chemical Reactions And/or Comminution Of Solid FeedMaterials”的第14/298,868号美国专利申请中描述的一个或多个特征相同或相似的一个或多个特征(例如，反应器104)，通过引用的方式将上述美国专利申请并入到本文中。
气体源106可被配置为将高速气体流引入到反应器104的腔室302中。可以通过反应器104的气体入口304引入高速气体流。高速气体流的引入可以在反应器104的腔室302内实现超音速气体涡流。在此，可将经由气体入口304引入到腔室302中的气体称为“工艺气体”、“正被处理的气体”和/或指示根据本文提出的一个或多个实施方式引入到反应器中作为高速气体流的气体的其他术语。
气体源106可以包括由导管、阀门、传感器和/或被配置为以受控或其他预定方式将来自气体源106的高速气体流提供到反应器104的其他部件组成的系统。
贮存器108可被配置为收集通过反应器104的出口308传送的处理过的材料。
图2示出了根据一个或多个实施方式的用于处理固体材料的系统100。与图1一致，系统100可以包括固体材料进料器102、反应器104、气体源106、贮存器108和/或其他部件中的一个或多个。例如，系统100可以包括被配置为向反应器104的腔室302提供热量的加热部件202。在一些实施方式中，加热部件202可以与反应器104集成并且可以包括反应器104的一部分。在一些实施方式中，加热部件202可以与反应器104分离。
固体材料进料器102可以包括传送器206。传送器206可被配置为从固体材料源204接收和/或提取固体处理材料。传送器206可被配置为通过固体材料入口306将固体处理材料提供给反应器104。传送器206可被配置为将来自固体材料源204的固体材料推送通过固体材料入口306并进入到腔室302中。在一些实施例中，传送器206可被附接到固体材料入口306。该附接可被配置为向正被馈送到固体材料入口306的固体材料提供高压密封。传送器206可以包括带式传送器、螺旋传送器(例如，双螺旋钻)、气动传送器、振动传送器、链式传送器、气动传送器(举例来说，例如，在连续喷砂操作和/或其他操作中使用的气动传送器)、双室气动传送器、旋转传送器，旋转气闸、链式和盘式传送器、往复式压头系统和/或其他类型的传送器和/或输送系统中的一个或多个。
在一些实施例中，固体材料源204可以集成为固体材料进料器102(例如，传送器206)的一部分。在一些实施例中，固体材料源204可与固体材料进料器102分离。在一些实施例中，可以以其他方式配置固体材料源204。固体材料源204可以包括罐、桶、筒、装料机、加压罐、浆料罐、料斗和/或其他固体材料源(例如，可以手工将固体材料馈送到传送器206和/或通过其他技术将固体材料提供到传送器206)中的一个或多个。
在一些实施例中，传送器206可以由控制器208控制。控制器208可以是计算机控制器、变频驱动控制器、一个或多个物理处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、包括遗传算法和/或优化性能的其他算法的控制器、和/或其他类型的控制器和/或控制器系统。例如，处理器可以包括数字处理器、模拟处理器、设计为处理信息的数字电路、设计为处理信息的模拟电路、状态机和/或用于以电子的方式处理信息的其他机构中的一个或多个。控制器208可以被配置为基于预定的流率、容量、速度和/或基于其他控制参数来控制传送器206将固体材料推送到反应器104中。控制器208可以被配置为控制传送器206以根据使用本文提出的利用系统100处理的一个或多个实施方式和/或处理固体材料的其他实施方式的方式，将固体材料推送到反应器104中。
在一些实施方式中，气体源106可以包括加热器210、加热部件212、流体泵214、控制器216和/或其他部件中的一个或多个。加热器210可以由加热部件212提供的热源加热。加热器210可以包括熔炉、锅炉、过热器、被配置为通过系统100的废气加热的设备、和/或其他加热器和/或加热设备中的一个或多个。在一些实施方式中，加热器210可以包括过热器和/或其他部件。在一些实施方式中，加热器210可包括锅炉和过热器，和/或其他部件。
加热部件212可以包括燃气燃烧器、电线圈、感应加热器、介电加热器、射频加热器、微波加热器、蒸汽套、熔融盐槽、粉状燃料燃烧器、辉光放电等离子体、行波型等离子体、热和/或非热等离子体和/或被配置为向加热器210提供热量的其他部件中的一个或多个。在一些实施方式中，可对加热部件212提供的热量进行控制，以使得从加热器210传送到反应器104中的工艺气体满足所需的温度。在一些实施方式中，可以对加热部件212提供的热量进行控制，以使得从加热器210传送到反应器104中的工艺气体满足所需的温度范围。在一些实施方式中，可以对加热部件212提供的热量进行控制，以使得从加热器210传送到反应器104中的工艺气体满足所需的压力。在一些实施方式中，可以对加热部件212提供的热量进行控制，以使得从加热器210传送到反应器104中的工艺气体满足所需的压力范围。
可以将流体引入加热器210，加热器210可用于产生工艺气体(例如，被引入反应器104的高速气体流)。例如，可以使用管道系统和/或其他流体传送技术，通过流体泵214将流体传送通过加热器210。流体可以由流体源215提供。流体源215可以在气体源106的内部或外部。流体可以包括例如煤气、城市煤气、甲烷、水(例如，用于产生蒸汽的水)、蒸汽、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氨、氢、一氧化碳、二氧化碳、氧、氮、氯、氟、乙烯、硫化氢、乙炔、和/或可用于产生引入到反应器104中的高速气体流以便于根据本文提出的一个或多个实施方式处理固体材料的其他流体。根据一个或多个实施方式，加热器210可以被配置为将流体的温度和压力提高到为工艺气体确定的所需的温度和/或压力。通过气体入口304将来自加热器210的工艺气体传送到反应器104中可有助于腔室302中形成高速气体流。
在一些实施方式中，根据所需的结果，在褐煤的处理中，例如，可能仅需要对煤进行干燥，基于收集腔室中的真空度，工艺气体温度(例如蒸汽)可以略高于或低于100℃。可能需要从褐煤中除去挥发物，所以工艺气体的温度可以变化直至250℃和/或其他温度。在一些实施方式中，如果需要炭黑或富勒烯，则温度可以在250℃至400℃的范围和/或其他范围内。如果需要完全气化，则基于煤的类型和/或所需的气化程度，工艺气体温度可以在400℃至700℃(或更高)的范围内。如果需要平衡的气体混合物用于费-托型反应和/或其他反应(例如，一份一氧化碳(CO)和两份氢气(2H2))，则蒸汽、甲烷和/或氧气和/空气的混合物可以用作工艺气体以产生在250℃至700℃的范围和/或其他范围内的自反应温度。
在一些实施方式中，流体泵214可以由控制器216控制。控制器216可以是计算机控制器、变频驱动控制器、一个或多个物理处理器和/或其他类型的控制器和/或控制器系统。例如，处理器可以包括数字处理器、模拟处理器、被设计为处理信息的数字电路、被设计为处理信息的模拟电路、状态机和/或用于以电子的方式处理信息的其他装置中的一个或多个。控制器216可以被配置为控制流体泵214基于预定的流率、温度、压力、体积、速度和/或其他控制参数将流体推送通过加热器210并进入到反应器104中。控制器216可被配置为控制流体泵214以根据利用如本文提出的系统100处理固体材料的一个或多个实施方式的方式，将流体推送到反应器104中。
在一些实施方式中，气体源106可以包括导管、传感器、阀门、控制器、止回阀和/或其他部件的网络，所述其他部件是连接到被配置为实现归因于如本文提出的气体源106的一个或多个特征和/或功能的流体泵214、加热器210、燃烧器212和/或反应器104的气体入口304的部件。例如，可将止回阀设置在连通流体泵214和加热器210的导管的一部分处，以确保流体不会回流到流体泵214中。可以采用导管、阀门、控制器和/或其他部件的其他配置方式。
在一些实施方式中，流体泵214的一个或多个特征和/或功能可以归因于一个或多个其他部件。例如，在一些实施方式中，可以省略流体泵214，并且其可由计算机控制的阀门(未示出)代替。在该实施方式中，可以基于压力、流速、体积和/或其他参数中的一个或多个来供应从流体源215供应的流体。受控阀可以被配置为对流体的压力、流速、体积和/或其他参数进行控制以实现如对所描述的流体泵214的类似控制(例如，通过正由控制器216帮助的控制)，所述流体通过以预定的数量和/或频率协同打开和/或关闭阀门而被引入到加热器210中。
在一些实施方式中，贮存器108可以包括罐218和真空源(例如，真空泵220)。罐218可以与真空源(例如，真空泵220)流体连通。在一些实施方式中，真空泵220可以包括液环泵和/或其他泵。在一些实施方式中，真空泵220可以是涡轮分子泵和/或其他泵。真空源可以被配置为在罐218内产生真空压力。罐218内的真空压力可有助于在处理期间从反应器104的出口308提取处理过的材料。在一些实施方式中，真空压力可以在20mm汞柱至760mm汞柱(例如，3KPa至101KPa)的范围和/或其他范围内。
在一些实施方式中，真空泵220可包括流体罐222。流体罐220可包括用于真空泵220的冷却流体。冷却流体可以是水和/或其他流体。流体罐222可以包括水罐。在一些实施方式中，流体罐222可以包括用于真空泵220的流体储存器。在一些实施方式中，流体罐222和/或真空泵220可被配置为提供用于淬灭任何废气和/或冷凝蒸汽和/或挥发物的机构。然而，在系统100的一些实施方式中，在反应器304的出口308处可能不需要负压，这样系统100就可以省略真空源(例如，真空泵220和/或流体罐222)。在一些实施方式中，系统1000可以省略真空泵220和/或流体罐222，以避免处理中的水分，并且可以采用不同类型的真空源。在一些实施方式中，低真空压力可以通过可操作地耦接到罐218和/或反应器304的出口308的抽气扇/排气扇来实现。在一些实施方式中，可以通过提供系统100采用的冷却塔和/或其他气体净化设备来淬灭废气。真空源和/或淬灭系统的其他配置是可以想到的。
在此，可以将已经通过系统100处理的材料(例如，工艺气体和固体处理材料)称为“处理过的材料”和/或指示已经经过一个或多个处理过程处理后的材料(例如，流体和固体)的其他术语。因此，处理过的材料可以包括处理过的固体和处理过的气体(例如，废气)。可将处理过的材料传送到罐218，在罐218中，可以从废气中夹带(例如，分离)处理过的固体。该固体材料可以保留在罐218中和/或以后通过罐218的固体材料出口从罐218移除。废气可通过真空泵220并且可以在流体罐222中存在的流体中淬灭。在一些实施方式中，可将废气再次引导到加热器210中以将其燃烧。
根据系统100的一个或多个实施方式，可将工艺气体加热到预定的温度和/或压力，并且以超音速将其传送到反应器104中，以有助于在腔室302内形成高速气体流。可将固体材提供到反应器104(例如，腔室302)中，在反应器104中，固体材料与高速气体流相互作用。可能发生固体材料的化学反应和/或粉碎。
根据一个或多个实施方式，系统100可用于生产下述产品中的一个或多个：碳、金属(例如，铝，镁，钛和/或其他金属)、挥发物、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨、巴基球、硅纳米管(SNT)、硅化物、硅巴基球、磁性碳纳米管、磁性硅纳米管、任何或所有元素(例如，碳、硅、锗、锡、铅、鈇和/或具有形成纳米结构的可能性的其他元素，该纳米结构的性质与以其他元素和/或其组合形成的富勒烯、纳米结构和/或晶体的性质类似)、波特兰水泥、硅酸盐、金属掺杂的SNT、冶金碳、氢、硅酸钠、硅酸钙、硅酸钾和/或其他硅酸盐、来自纤维素材料的糖、来自纤维素材料的醇、活性炭、炭黑、氟化烃和/或其他材料和/或产品。
在一些实施方式中，系统100可以用于下述过程中的一个或多个：例如，无二氧化碳发电、通过煤产生用于运输的气体、处理页岩油和/或焦油砂、裂化长链烃、烃到发生炉煤气的低温转化、硫和/或氯含量高的燃料的燃烧/气化、金属粉末的单级生产、硅的直接还原、难熔尾矿的处理、家庭废物的资源回收和/或气化、从废物中回收金属、持久性有机污染物(POP)、聚氯联苯(PCB)、聚芳烃(PAH)、化学战废物和/或其他污染物的销毁、车群气化和/金属加工、轮胎加工、废木材和/或农场废物气化、从污染场所去除重金属、石棉转化、材料(例如，填埋场、棕榈废物、林业废物、玻璃废物、水泥和/或水泥产品废物、污水和/或其他废物)的回收、氢气生产，和/或系统100用于其他过程和/或进程。
在一些实施方式中，用气态介质处理固体材料可以提供金属的直接还原。例如，使用煤和/或甲烷作为碳源，在腔室302中发生的化学反应可以产生金属氧化物和/或硫酸盐至其金属状态的碳热还原。作为示例性的例子，处理过程可以包括作为固体处理材料的氧化铁和作为工艺气体的甲烷。可以将油加入到氧化铁中。油可以是醇溶性油或可以不是醇溶性油。
作为另一个示例性的例子，硫酸铅浸出浓缩物(LSLC)可以与作为固体处理材料的润滑剂的油以及作为工艺气体的甲烷和/或其他气体一起使用。结果可能表明，可能发生高达40％的硫酸盐转化(在铅，镉和锌靶物质中)的单步降低。利用加热到大约200℃和700℃之间的范围(和/或其他范围)的反应器104以及在300℃和600℃之间(和/或其他范围)的温度下的工艺气体，可以进行这些和/或其他类似的处理。例如，可将反应器104加热到低于670℃，并且可将工艺气体加热到低于500℃。
在一些实施方式中，使用系统100对固体材料的处理可以使用蒸汽作为工艺气体来实现。这种类型的工艺可以包括但不限于：除去煤的挥发成分、煤的气化、净化被烃污染的土壤、净化被多氯联苯(PCB)污染的土壤、和/或其他过程和/或进程。
根据一个或多个实施方式，水可以被泵送到加热器210中，并且转化为作为工艺气体的蒸汽。可以将蒸汽过热至高达500℃和600℃范围(和/或其他范围)的温度。例如，可以将蒸汽加热到约550℃。可以在气体入口304处以高速率将用作工艺气体的高温蒸汽引入到反应器104中。可以在材料入口306处将固体材料提供到腔室304中。可以调节系统100的各种其他条件以在反应器104内部获得所需的化学品。例如，在一些实施方式中，甲烷和/或其他烃气体和/或液体可与空气和/或氧气一起添加，以产生和/或促进化学和/或磨损反应。
在一些实施方式中，过热氮气可以作为工艺气体与钛一起使用，钛例如用作固体进料以提供氮化钛粉末作为输出。该过程可应用到以下范围：具有诸如铝、钛、钨的单金属和/或各种其他硬金属和/或非金属的碳化物、硅化物、硼化物和/或氮化物。
根据一个或多个实施方式，PCB可以使用本文提出的系统100的一个或多个实施方式由于高温而热分解。处理过的材料的污染等级可以表示PCB污染的减少。例如，根据一个或多个实施方式，实验可以示出，污染可以从300ppm降低到低于1ppm(例如，基本上检测不到)。在处理之后，水罐222中的废气的污染等级也可能低于可检测水平。这可能表明PCB被破坏并且不仅仅是蒸发。在一些实施方式中，反应温度可以低于用于形成二恶英的温度，二恶英可以在大约超过500℃的温度下在氯和一氧化碳之间的反应中产生。在一些实施方式中，可以避免常规地与PCB和/或各种其他持久性毒性材料(例如，化学战剂)的销毁相关的一个或多个问题。
根据一个或多个气化过程，可以特别地考虑蒸汽与煤的比率，以便获得直接能量产生、气体至液体的处理和/或其他用途所需的CO：H2的比率。通过由下式表示的水煤气变换反应，可实现对CO：H2比率的进一步修改：
CO+H2O→H2+CO2
在一些实施方式中，可以通过使材料多次通过系统100来进行处理。例如，根据一个或多个实施方式，氢分子(H2)可以从煤和/或其他含碳固体产生。可使用系统100以及水(例如，蒸汽)和/或作为工艺气体的其他流体来处理碳基固体材料(例如，煤)。处理过的材料的废气在使用蒸汽第一次通过系统之后可以包括一氧化碳。第一次通过的化学反应可以由下式表示：
C+H2O→CO+H2
可以压缩一氧化碳以在第二次通过系统100期间使用。压缩的一氧化碳可以在第二次通过中用作工艺气体。第二次通过可以将氧化铁用作固体处理材料。第二次通过可产生固体铁粉。化学反应可以由下式表示：
FeO+CO→Fe+CO2
可通过使用铁粉作为固体处理材料和使用蒸汽作为工艺气体来执行第三次通过。该处理可产生氢分子。反应可以由下式表示：
Fe+H2O→FeO+H2
根据一个或多个实施方式，系统100通过使用金属粉末和/或含金属的化合物(包括但不限于矿石、浓缩物、氢化物、硫酸盐、硫化物、氧化物和/或氯化物)作为固体处理材料和/或使用一氧化碳和/或其他气体作为工艺气体，可促进羰基化合物和/或其他有机金属化合物的生产。可以配置该处理的变形，以使得氧化镍与一氧化碳反应以产生四羰基镍。其可以是可在热表面上分解以产生纯金属镍的沸点约105℃的透明无色液体。类似的反应可以用于铁，并且可以产生五羰基铁，但是可能需要更高的温度和/或压力。
镍和铁反应可以由下式表示：
Ni+4CO→Ni(CO)4
和/或
Fe+5CO→Fe(CO)5
在一些实施方式中，羰基可以是集成电路工业的基础，其中它们用于通常被称为化学气相沉积(CVD)的工艺中。可以将大多数(如果不是全部)金属处理成羰基和/或其他有机金属化合物，以用于进一步纯化和/或作为所选的沉积金属的方法。硅可以容易地转化成羰基，然后可以对其进行蒸馏和/或还原，以在付出现有的“切克劳斯基(Choralski)”熔融拉制系统和/或其他系统的成本的一小部分的情况下获得非常高的纯度。这样的系统可能是耗时的和/或非常耗能的。可以通过使用根据如本文所示的系统100和/或其他考虑的一个或多个处理来缓解与这些系统或类似系统相关的一些或多个问题。
根据一个或多个实施方式，系统100可以促进波特兰水泥(二硅酸盐和/或三硅酸钙)的生产。作为处理中的第一步骤，系统100可以使用石灰石作为固体处理材料和使用水(例如蒸汽)作为工艺气体。然而，在一个或多个其他实施方式中，二氧化碳或其他气体可以用作工艺气体，这是因为该处理中的工艺气体可以在反应期间仅仅促进热传递。反应可以由下式表示：
CaCO3+H2O→CaO+H2O+CO2
在一些实施方式中，第二步骤和/或其他步骤可将三份氧化钙与一份二氧化硅作为固体进料与选择的工艺气体组合在一起，以产生具有三钙硅酸盐(例如，波特兰水泥)成分的精细混合粉末。
图3、4和5分别示出了根据一个或多个实施方式的反应器104的顶视图、侧视图和后视图。根据系统100的一个或多个实施方式，反应器104可以被配置为利用在超音速气体涡流中产生的冲击波来促进包括化学反应和/或固体进料的粉碎的处理。反应器104可以包括腔室302、气体入口304，材料入口306、出口308和/或其他部件中的一个或多个。
腔室302可以被配置为提供进行材料处理的空间。腔室302可以具有以垂直于横截面的纵轴线310为中心的基本上为圆形的横截面。基本上为圆形的横截面可有助于在腔室302内旋转的涡流。腔室302的一部分312可以成形为圆柱体。腔室302的部分314的基本上为圆形的横截面的半径可以在邻近出口308的腔室302的端部处持续减小。腔室302的基本上为圆形的横截面的半径的持续减小可以被配置为引起气体涡流的旋转速度加速。腔室302的具有基本上为圆形的横截面的持续减小半径的部分314可以成形为锥形、半球形、喇叭形(例如，参见图3和图4)和/或其他形状。
腔室302可以由各种材料形成。腔室302可以由脊状材料形成。室腔302可以由导热材料形成。腔室302可以由导电材料形成。根据一些实施方式，腔室302可以全部或部分地由钢、铁、铁合金、碳化硅、部分稳定的氧化锆(PSZ)、熔融氧化铝、碳化钨、氮化硼、碳化物、氮化物、陶瓷、硅酸盐、地质聚合物、金属合金、其他合金和/或其他材料形成。在一些实施方式中，腔室302的内表面316可涂覆有一个或多个涂层。示例性的涂层可以被配置为防止对腔室302的内表面316的物理或化学磨损。在一些实施方式中，涂层可以被配置为促进腔室302内的化学反应。可以促进化学反应的涂层的例子可以包括下述材料中的一种或多种：铁；镍；钌；铑；铂；钯；钴；其他过渡金属及其合金、化合物和/或氧化物(例如，镧系元素及其化合物、合金和/或氧化物)和/或其他材料。
气体入口304可被配置为将高速气体流引入到腔室302中。可以对气体入口304进行设置和布置，以便实现在腔室302内循环的气体流的涡流。涡流可围绕腔室302的纵轴线310旋转。气体入口可以被布置成使得气体流被引导为基本上垂直于腔室302的纵轴线310。气体入口304可以被布置成使得气体流被引导为基本上与腔室的基本上为圆形的横截面的内表面相切(例如，参见图5)。可以将气体入口304设置在材料入口306的近侧。
由气体入口304排放的气体可以包括任何数量的气体材料。在一些实施方式中，气体可以包括还原气体，即，具有低氧化(或高还原)的气体，其通常是富氢的。气体可以包括蒸汽、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氨气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮气、氯气、氟气、乙烯、硫化氢、乙炔和/或其他气体中的一种或多种。气体可以是蒸气。根据本文提出的系统100的一个或多个实施方式，气体可以是过热的。在一些实施方式中，可以将气体加热至超过临界点和/或将其压缩至临界压力之上，以使气体变成过热气体、可压缩流体、和/或超临界流体。
图6示出了根据一个或多个实施方式的反应器104的气体入口304的详细视图。气体入口304可以包括设置在气体入口304内的入口喷嘴602。入口喷嘴602可以被配置为通过螺纹和/或通过其他附连技术将其固定在适当位置。入口喷嘴602可以被配置为对正被引入到腔室302中的气体流进行加速。在示例性的实施方式中，入口喷嘴602可以被配置为以超音速发射气体流。入口喷嘴602可以被配置为在从入口喷嘴602发射的气体流中发射冲击波。气体入口304可以包括设置在入口喷嘴602周围的环形腔604。环形腔604可以被配置为使从入口喷嘴602发射的气体流在环形腔604内共振。
图7示出了根据一个或多个实施方式的气体入口304的入口喷嘴602的详细视图。入口喷嘴602可以包括一个或多个共振器气缸702。给定的共振器气缸702可以设置在入口喷嘴602内，并且其方向可以垂直于通过入口喷嘴602的主气体流的方向。给定的共振器气缸702可以被配置为使气体压力脉冲在给定共振器气缸702内共振以在入口喷嘴602内引起冲击波。在入口喷嘴602内产生的冲击波可以从入口喷嘴602出来并传播到腔室302中。不同的共振器气缸702可以具有不同的尺寸，以使得相应的不同的共振频率导致以不同频率发生的冲击波。唇部704相对于给定共振器气缸702的另一个唇部706偏移可引起给定共振器气缸702中的泵浦。
根据一些实施方式，入口喷嘴602可以被配置为在气体和/或腔室302中引入冲击波和/或谐波。入口喷嘴602可以包括Hartmann-Sprenger管、哈特曼发生器、哈特曼振荡器、利用一个或多个电子控制的压电换能器或磁致伸缩换能器来控制冲击波的喷嘴、和/或其他类型的喷嘴中的一个或多个。哈特曼发生器可以包括这样的装置，在该装置中，通过超音速气体喷射在喷嘴的边缘处产生的冲击波与位于喷嘴对面的小圆柱形管的开口共振，以产生强大的超声波。哈特曼振荡器可以包括声波和超声波的气体喷射散热器。振荡器可以包括喷嘴，其中，气体在p>0.2兆牛顿每平方米的压力(1.93大气压)下以超音速通过该喷嘴被排出。在该过程中，气体喷射可以产生压缩和稀疏波。如果共振器以在该流中与喷嘴同轴的方式放置在一定距离处，则可以辐射出声波和超声波。声辐射的频率可以是喷嘴和共振器之间的距离以及共振器的尺寸的函数。哈特曼振荡器可以辐射高达几十瓦的声功率。如果通过喷嘴吹动压缩空气(来自罐或压缩机)，则可以获得范围从5或6千赫兹直到120千赫兹的频率。通过使用氢气代替空气，可以达到高达500千赫兹的频率。
再次参考图3、4和5，材料入口306可以被配置为将待处理的固体材料引入到腔室302中。可以将材料入口306设置在气体入口304附近。可以将材料入口306设置在垂直于腔室302的纵轴线310的腔室302的平坦表面318上。可以将材料入口306设置为使得被引入到腔室302的材料被引导为平行于腔室302的纵轴线310。可以将材料入口306耦接到固体材料进料器102(图1和图2)，该固体材料进料器将材料推送通过材料入口306进入到腔室302中。
任何数量的材料都可由系统100使用反应器104和/或其他反应器来处理。根据一些实施方式，待处理的材料可以包括固体、流体、液体、蒸气、气体、等离子体、超临界流体，包括一种或多种上述材料的混合物、和/或其他类型的材料。作为非限制性的例子，要在腔室302内处理的材料可以包括土壤、煤、木屑、食物废料、矿石和/或精矿、矿山尾矿、焦油砂、页岩、有机材料、无机材料和/或本文提出的其他材料、和/或其他材料中的一种或多种。
在一些实施方式中，由系统100处理的材料可由借助于腔室302内的冲击波实现的非研磨作用机制进行处理。在一些实施方式中，由系统100处理的材料可由借助于腔室302内的冲击波实现的研磨作用机制进行处理。例如，可以通过由腔室内的冲击波引起的张力来对材料进行处理。可以通过腔室302内的气体流中的空穴作用来对材料进行处理。
出口308可以被配置为从腔室302排放废气和处理过的材料并使其进入贮存器108(图1和图2)。可以将出口308设置在腔室302的与气体入口304和材料入口306相对的端部。可将出口308设置在腔室302的纵轴线310上。随着固体处理材料的颗粒尺寸的减小，那些颗粒可向出口308移动。出口308可以耦接到贮存器108(图2)的罐218，其被配置为收集从出口308排放的处理过的材料。
在一些实施方式中，出口308可包括设置在出口308内的出口喷嘴。出口喷嘴可被配置为对腔室302加压。出口喷嘴可被配置为对离开腔室的处理过的材料进行快速冷却。根据一些实施方式，这种快速冷却可以减少或最小化金属和/或容易受到逆反应影响的其他化学品的逆反应。在一些实施方式中，出口喷嘴可包括文丘里管。
在图4中，在一些实施方式中，反应器104可以包括被配置为向腔室302提供热量的加热部件202。加热部件202可以包括燃气燃烧器、电线圈、感应加热器、介电加热器、射频加热器、微波加热器、蒸汽套、熔融盐槽和/或被配置为提供热量的其他部件中的一个或多个。
根据一些实施方式，反应器104可以包括被配置为从围绕腔室302的区域排出气体的通风部件322(图4)。通风部件322可以包括排气扇、烟道或其他管道系统、文丘里喷射器、用于恢复气体压力和/或热量的涡轮、和/或被配置为排出气体的其他部件中的一个或多个。
在一些实施方式中，可以省略加热部件202。例如。在一些实施方式中，如果系统为便携式反应系统或有其他限制系统100的尺寸的约束条件，则可以将空气和/或氧气添加到工艺气体中，这样可以提供反应所需的任何程度的热量。在一些实施方式中，该热量可以在反应腔室内产生，并且可以消除外部加热(例如，经由加热部件202)的需要。通过将工艺气体的温度平衡在50℃-1200℃的范围和/或其他温度范围内和/或将压力平衡在100KPa-35MPa的范围和/或其他范围内，可以容易地控制加热的程度。
系统100和/或反应器104可以包括一个或多个传感器324。给定的传感器324可以提供信号，该信号传送与系统100和/或反应器104相关联的一个或多个参数相关的信息的信号。给定信号可以用于帮助相应参数的确定和/或呈现。示例性的参数可以包括温度、压力、速度(例如，腔室302内的气体涡流的速度)、通过材料入口306和/或出口308的材料的流速、通过气体入口304的气体的流速、腔室302内冲击波和/或空穴的存在、电压、电流、对离开反应器的气体种类的分析、和/或与反应器104相关的其他参数中的一个或多个。
图8示出了处理固体材料的方法800。下面提出的方法800的操作旨在示例。在一些实施方式中，方法800可以用未描述的一个或多个附加操作和/或无需所讨论的操作中的一个或多个来完成。另外，图8中示出和下文描述的方法800的操作的顺序并不旨在进行限制。在一些实施方式中，方法100可以使用与本文提出的系统100(图1所示)相同或相似的用于处理固体材料的系统来实现。
现在参考图8中的方法800，在操作802，可以将高速气体流引入到反应器中。反应器可以具有腔室、固体材料入口、气体入口和出口。可以通过气体入口将高速气体流引入到反应器的腔室中。高速气体流可以在腔室内实现超音速气体涡流。反应器可以被配置为使用在腔室内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎。在一些实施方式中，可以使用与气体源106和反应器104(图1所示和本文所述的)相同或相似的气体源和反应器来执行操作802。
在操作804，可以通过固体材料入口将要处理的固体材料提供到腔室中。可以在腔室内通过借助于腔室内的冲击波实现的非研磨作用机制来对固体材料进行处理。在一些实施方式中，可以使用与固体材料进料器102(图1所示和本文所述的)相同或相似的固体材料进料器来执行操作804。
在操作806，可以对通过反应器的出口传送的处理过的材料进行收集。在一些实施方式中，可以使用与贮存器108(图1所示和本文所述的)相同或相似的贮存器来执行操作806。
尽管为了举例说明的目的而基于当前被认为是最实用和优选的实施方式详细描述了本技术，但是应当理解，这样的细节仅用于该目的，并且该技术不限于所公开的实施方式，而是相反，旨在覆盖在所附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，应当理解，本技术预期，在可能的范围内，任何实施方式的一个或多个特征可以与任何其他实施方式的一个或多个特征组合。

Claims (20)

1.一种用于处理固体材料的系统，所述系统包括：
固体材料进料器；
具有腔室、固体材料入口、气体入口和出口的反应器，所述反应器被配置为使用在所述腔室内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎，所述固体材料进料器被配置为通过所述固体材料入口将固体材料提供到所述反应器的所述腔室中，通过借助于所述腔室内的冲击波实现的非研磨作用机制，在所述腔室内对所述固体材料进行处理，所述出口被配置为对离开所述反应器的处理过的固体材料进行快速冷却以减少逆反应的发生；
气体源，所述气体源被配置为通过所述气体入口将高速气体流引入到所述反应器的所述腔室中，以在所述腔室内实现所述超音速气体涡流；以及
贮存器，所述贮存器被配置为对通过所述反应器的所述出口传送的处理过的材料进行收集。
2.根据权利要求1所述的系统，包括：
加热部件，所述加热部件被配置为向所述反应器的所述腔室提供热量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述固体材料进料器包括固体材料源和通过所述固体材料入口将所述固体材料推送进入到所述腔室中的传送器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体源包括：
由热源加热的加热器；和
流体泵，所述流体泵被配置为将流体引入到所述加热器中，其中，所述加热器被配置为提高所述流体的温度和压力，以使得所述流体从所述加热器到所述气体入口的传送有助于形成所述高速气体流。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述贮存器包括与真空源流体连通的罐，所述真空源被配置为在所述罐内产生真空压力以从所述反应器的出口提取处理过的材料。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述腔室具有基本上为圆形的横截面，所述横截面以垂直于所述横截面的纵轴线为中心。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述腔室的一部分的基本上为圆形的横截面的半径在邻近所述出口的所述腔室的端部处持续减小，并且其中所述腔室的基本上为圆形的横截面的所述半径的持续减小被配置为引起气体涡流的旋转速度的加速。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反应器的所述气体入口设置和布置为实现在所述腔室内循环的气体流的涡流，所述涡流围绕所述腔室的纵轴线以超音速旋转。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述气体入口设置为使得所述气体流被引导为基本上垂直于所述腔室的所述纵轴线。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体入口包括设置在所述气体入口内的入口喷嘴，所述入口喷嘴被构造为使得由所述气体源引入的高速气体流以超音速被发射到所述腔室中。
11.一种处理固体材料的方法，所述方法包括：
将高速气体流引入到具有腔室、固体材料入口、气体入口和出口的反应器中，所述高速气体流通过所述气体入口被引入到所述反应器的所述腔室中以在所述腔室内实现超音速气体涡流，所述反应器被配置为利用在所述腔室内的超音速气体涡流中产生的冲击波的张力来促进固体进料的化学反应和/或粉碎，
通过所述固体材料入口将固体材料提供到所述腔室中，并且其中通过借助于所述腔室内的冲击波实现的非研磨作用机制，在所述腔室内对材料进行处理，所述出口被配置为对离开所述反应器的处理过的固体材料进行快速冷却以减少逆反应的发生；以及
对通过所述反应器的所述出口传送的处理过的材料进行收集。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
向所述反应器的所述腔室提供热量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，将固体材料提供到所述腔室中包括：通过所述固体材料入口将固体材料推送进入到所述腔室中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将高速气体流引入所述腔室中包括：
对加热器进行加热；以及
将流体引入到所述加热器中，其中，所述加热器被配置为提高所述流体的温度和压力，以使得所述流体从所述加热器到所述气体入口的传送有助于形成所述高速气体流。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，通过与真空源连通的罐来收集处理过的材料，所述真空源被配置为在所述罐内产生真空压力以从所述反应器的所述出口提取处理过的材料。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述腔室具有基本上为圆形的横截面，所述横截面以垂直于所述横截面的纵轴线为中心。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述腔室的一部分的基本上为圆形的横截面的半径在邻近所述出口的所述腔室的端部处持续减小，并且其中所述腔室的基本上为圆形的横截面的所述半径的持续减小被配置为引起气体涡流的旋转速度的加速。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述反应器的所述气体入口设置和布置为实现在所述腔室内循环的气体流的涡流，所述涡流围绕所述腔室的纵轴线以超音速旋转。
19.根据权利要求18所述的方法，将所述气体入口设置为使得所述气体流被引导为基本上垂直于所述腔室的所述纵轴线。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述气体入口包括设置在所述气体入口内的入口喷嘴，所述入口喷嘴被构造为使得由所述气体源引入的高速气体流以超音速被发射到所述腔室中。
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