CN113272371A - 用于将从废弃轮胎中回收的炭黑造粒的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于将轮胎转化成造粒的、回收的炭黑的方法的一种变型包括：将一组轮胎剪接成一定体积的轮胎橡胶段，该组轮胎选自包括农用轮胎、商用轮胎和乘用轮胎的组；在热解反应器中，将该体积的轮胎橡胶段热解聚成一定体积的碳质材料；磨碎该体积的碳质材料；从该体积的碳质材料中除去大于最大团聚物直径的团聚物；在混合器内，在第一间隔期间混合该体积的碳质材料与粘结剂，该混合器诱导形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料；在干燥器内将该组粒料干燥至特定的水分含量；以及从该组粒料中除去大于最大粒料尺寸的第一子组的粒料。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年10月19日提交的美国临时申请号62/748,230和于2018年12月11日提交的美国临时申请号62/778,208的权益，这两个临时申请都通过此引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种用于从废弃轮胎中回收炭黑的工艺，并且更具体地涉及一种用于加工和再循环废弃轮胎、并且将从废弃橡胶材料中回收的炭黑造粒的新且有用的方法。
附图说明
图1是方法的一种实施方式的流程图表示；
图2是方法的一种实施方式的示意图；
图3是方法的一种实施方式的流程图表示；
图4是方法的变型的一种实施方式的流程图表示；
图5是方法的一种实施方式的流程图表示；
图6是方法的一种实施方式的流程图表示；
图7A和7B是方法的一种实施方式的流程图表示；
图8是方法的一种实施方式的流程图表示；
图9A、9B和9C是方法的一种实施方式的示意图；
图10是方法的一种实施方式的流程图表示；
图11是方法的一种实施方式的流程图表示；
图12是方法的一种实施方式的示意图；
图13是方法的一种实施方式的流程图表示；并且
图14是方法的一种实施方式的流程图表示。
具体实施方式
以下对本发明的实施例的描述不旨在将本发明限制于这些实施例，而是使本领域的技术人员能够制造和使用本发明。本文描述的变型、构造、实施方式、示例性实施方式、以及实例是任选的并且不排除它们描述的变型、构造、实施方式、示例性实施方式、以及实例。本文描述的发明可以包括这些变型、构造、实施方式、示例性实施方式、以及实例的任何和所有变换。
1.方法
如图1中所示，用于将轮胎(例如，报废轮胎或废弃轮胎)转化成造粒的、回收的炭黑的方法S100包括：在方框S110中，将选自包括以下的组的一组轮胎101剪接成一定体积的轮胎橡胶段105：农用轮胎、商用轮胎、以及乘用轮胎；在方框S120中，在热解反应器120中，在惰性气氛内使该体积的轮胎橡胶段105热解聚成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料190，该碳质材料包括碳质聚集体的团聚物；在方框S130中，磨碎该体积的碳质材料190以将该体积的碳质材料190内的团聚物的直径减小到小于最大团聚物直径；在方框S140中，从该体积的碳质材料190中除去大于该最大团聚物直径的团聚物；在方框S150中，在混合器150内，在第一间隔期间混合该体积的碳质材料190与粘结剂，该混合器150诱导在方框S154中形成一组粒料195；在方框S160中，在干燥器160内在第二间隔期间将该组粒料195干燥至特定的水分含量，该第二间隔由该组粒料195平移跨越该干燥器160的长度的速率和该干燥器160的操作温度限定；以及在方框S170中，从该组粒料195中除去大于最大粒料尺寸的子组粒料195。
方法S100的一个变型包括：将选自包括以下的组的一组轮胎101剪接成一定体积的轮胎橡胶段105、一定体积的钢线106以及一定体积的纺织品纤维103：农用轮胎、商用轮胎、以及乘用轮胎；在方框S122中，在热解反应器120中，在惰性气氛内使该体积的轮胎橡胶段105热解聚成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料190、一定体积的油123、以及一定体积的气体，该体积的碳质材料190包括碳质聚集体的团聚物；在方框S130中，磨碎该体积的碳质材料190以将该体积的碳质材料190内的团聚物的直径减小到小于最大团聚物直径；在混合器150内：在方框S152中，用粘结剂喷涂该体积的碳质材料190，并且在方框S154中，在第一间隔期间混合该体积的碳质材料190，该混合器150诱导形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料195，该第一间隔由该混合器150的长度和在该混合器150内平移该组粒料的曲颈器(retort)的进料速率限定；在方框S160中，在干燥器160内在第二间隔期间将该组粒料195干燥至特定的水分含量，该第二间隔由该组粒料195平移跨越该干燥器160的长度的速率和该干燥器160的操作温度限定，该组粒料195平移跨越该干燥器160的长度的速率由该干燥器160的长度的平面与水平面之间的角度限定；在方框S170中，从该组粒料195中除去大于最大粒料尺寸的第一子组粒料195；以及在方框S172中，从该组粒料195中除去小于最小粒料尺寸的第二子组粒料195。
2.应用
在美国每年大概有4亿个轮胎进入填埋场。由于用于这些轮胎的再循环工艺的有限的可用性，填埋场填充有不断增加数目的轮胎。现有的轮胎再循环工艺典型地提取和再循环小百分比的轮胎内可用的可再循环的产品。为了促进再循环轮胎和限制由于再循环轮胎而产生的总废弃物，系统100可以实施方法S100以从轮胎和/或报废橡胶中提取和再循环碳质材料(即，包含元素碳的有机材料)以形成回收的炭黑，该回收的炭黑是可以在如塑料染色、塑料复配(plastic compounding)、橡胶复配和轮胎制造的应用中实施的再循环材料。通常，回收的炭黑可以充当橡胶应用中的半增强填料(semi-reinforcing filler)和塑料母料化应用(plastics masterbatching applications)中的颜料。
方法S100可以通过系统100实施，该系统包括轮胎切碎系统110、热解反应器120、以及造粒系统199，该造粒系统包括磨机130、混合器150、干燥器160、以及粒料分级器170。可以实施方法S100以将轮胎(例如，由最终使用者或轮胎经销商再循环的废弃轮胎和/或由制造商再循环的报废轮胎)转化成造粒的碳质材料(即，炭黑)以在橡胶和/或塑料应用中用作填料、着色剂和/或半增强剂。特别地，方法S100包括将一组轮胎101剪接成轮胎橡胶段、钢线(即，用于增强轮胎)以及纺织品(例如，尼龙)纤维以便将每个轮胎的轮胎橡胶与其他无机组分大体上分离然后热解。然后，该体积的轮胎橡胶段105可以进入热解反应器120的进口以经历热解(即，在惰性气氛中热分解)。通常，该体积的轮胎橡胶段105包括橡胶聚合物(例如，天然橡胶)、多种原始炭黑等级(various virgin carbon black grades)(例如，N100、N330、N660、以及N762)、轮胎增强剂(例如，二氧化硅(silicon dioxide)或“二氧化硅(silica)”)、氧化锌、硫化剂(例如，硫)、硬脂酸、和/或其他橡胶添加剂(例如，分散剂和/或固化剂)。在热解期间，该体积的轮胎橡胶段105解聚以形成热解副产物，如热解油、合成气体(在下文中“合成气”)、以及回收的碳质材料(即，“回收的炭黑(recovered carbonblack)”或“回收的炭黑(reclaimed carbon black)”)。回收的碳质材料包括聚集的炭黑颗粒的团聚物，该团聚物封闭(即，在基质中)轮胎橡胶中发现的其他材料和添加剂。例如，碳聚集体的团聚物可以包围和包封二氧化硅颗粒、氧化锌颗粒和/或钙。在此实例中，二氧化硅的表面可以部分地暴露使得二氧化硅在橡胶应用中对回收的碳质材料的性能展现出一些影响。然而，由于在热解期间包封二氧化硅，该二氧化硅相对于未包封的原始二氧化硅可以展现出降低的暴露的表面积，并且因此该二氧化硅在橡胶应用中展现出不同和/或更少的增强效果。
系统100然后可以将回收的碳质材料造粒成一组(离散的)粒料195。在造粒期间，系统100可以将回收的碳质材料碾磨成在特定团聚物尺寸分布内的颗粒的粉末以产生大体上类似尺寸的一定体积的碳质团聚物。因此，当实施成橡胶和塑料时，由于离开热解反应器120的不同的团聚物尺寸，系统可以限制聚丛(clumping)和表面瑕疵。系统100然后可以在混合器150内混合粉末与粘结剂以诱导粉末聚丛(或“粒料团聚”)成离散的粒料195。然后可以将该组粒料195干燥并且分级以从该组粒料195中除去尺寸过大和尺寸过小的子组粒料195。可以将尺寸过大和/或尺寸过小的子组粒料195再循环回到磨机130中，其中磨机130可以研磨粒料195并且将(先前团聚的)子组粒料195与待重新造粒的粉末混合。
可以实施系统100以通过以下方式控制由系统100输出的产品(例如，该组粒料195)的品质、数量和一致性：控制并且实施方法-像方法S100-来控制进入系统100的该体积的轮胎橡胶段105的组成(尽管由于在轮胎制造工业中在轮胎组成上的可变性，用作进料的轮胎中的一般可变性)。通过控制该体积的轮胎橡胶段105(进料)的组成，系统100可以维持由系统100输出的组合物(例如，碳、硫和氧化锌)的碳粒度和窄分布。通常，轮胎包括橡胶和其他聚合物、多个等级的原始炭黑、钢、尼龙纤维、以及如固化剂(例如氧化锌)、分散剂和其他橡胶添加剂的其他材料的混合物。轮胎的组成在制造商、轮胎类型(例如，消费者轮胎、农用轮胎、采矿轮胎、长途运输(OTR)轮胎(over-the-road(OTR)tires))、制造的国家、以及预期使用条件(例如冬季轮胎)之间明显变化。例如，在欧洲制造和销售的轮胎倾向于包括比在美国制造和销售的轮胎更高的二氧化硅(二氧化硅或“SiO2”)含量。另外，切碎系统110可以将轮胎橡胶与轮胎的其他组分如钢线和尼龙纤维分离。由于轮胎橡胶、钢线和尼龙纤维之间的粘合，钢和尼龙的残余物可能保持粘合至轮胎橡胶，并且因此可能进入热解反应器120并且保持存在于由热解反应器120输出的该体积的碳质材料190中。另外，切碎系统110可以将轮胎橡胶切碎和/或分割成橡胶碎片或块，其可以转移(或输送)至热解反应器120中。
每个轮胎还可以含有多个等级的炭黑，其中每个等级由如图12中所示的炭黑的颗粒的表面积限定。例如，轮胎可以包括多个等级的原始炭黑，如N100、N330、N660、N762、或N900。这些等级中的每一个由该原始炭黑等级内的碳的平均粒度限定。如图4中所示，N100系列原始炭黑等级包括在11至19纳米之间的平均粒度；N200系列原始炭黑等级包括在20至25纳米之间的平均粒度；N300系列原始炭黑等级包括在25至30纳米之间的平均粒度；并且N600系列原始炭黑等级包括在49至60纳米之间的平均粒度。由于进入热解反应器120的原始炭黑等级的不同的粒度和表面活性，该体积的碳质材料190典型地展现出存在于进入热解反应器120的该组轮胎101内的原始炭黑等级中的每种的类似的特性(例如，当并入到橡胶内时分散、拉伸强度趋势、和/或其他物理特性)。因此，该体积的碳质材料1090充当复合等级的炭黑。例如，当并入到橡胶内时，由于在该体积的轮胎橡胶内存在N600系列原始炭黑等级和N330系列原始炭黑等级两者，碳质材料可以充当具有类似于N600系列原始炭黑等级的增强特性和类似于N330系列原始炭黑等级的着色特性的复合等级的炭黑。以这种方式，当实施到橡胶和塑料应用中时系统100可以控制轮胎橡胶的组成以便控制该体积的碳质材料的等级组成和性能特征。
如图4所示，该体积的碳质材料190由直径在十纳米与500纳米之间的炭黑颗粒(即，次晶碳的形式)限定。这些炭黑颗粒可以聚集以形成在炭黑颗粒之间包括化学键、范德华力和交联的碳质聚集体，如图4所示。碳质聚集体可以团聚以形成大于一微米的碳质(或“炭黑”)团聚物，如图4所示。这些炭黑团聚物包括相对弱的化学键，该化学键可以由机械力如碾磨或研磨破坏。炭黑团聚物可以与粘结剂和分散剂混合以促进与其他材料如塑料粘合和混合。通常，回收的炭黑团聚物如在该体积的碳质材料中发现的那些大于原始炭黑团聚物(即，直接由油和其他原材料而不是由从再循环材料如废弃轮胎提取的再循环橡胶制造的炭黑)。由于回收的炭黑团聚物的更低的表面活性和/或更低的表面积，当与其他材料混合时回收的炭黑团聚物可能比原始炭黑团聚物更不均匀地和更不一致地分散。然而，系统100可以执行方法S100以控制(和/或减小)回收的炭黑的团聚物尺寸，从而改善与其他材料的分散和交联。例如，通过经由控制橡胶进料来控制和改善回收的炭黑团聚物的团聚物尺寸，系统100可以配置成产生小于一微米的团聚物以便复制高等级填料炭黑(例如N600和N700系列)以有效用于增强和填料应用。
由于不同的组成，回收的碳质材料的团聚物在尺寸和表面积上变化；此类可变性可以导致橡胶和塑料应用中的表面瑕疵。另外，当实施到橡胶和塑料应用中时，回收的碳质材料的团聚物可以在组成上变化，这可以导致不同的性能影响(例如，分散、着色强度、拉伸强度、和/或硬度)。因此，在热解后，将回收的碳质材料输入到磨机130或其他研磨或磨碎系统内以被研磨至特定的团聚物尺寸范围或特定的团聚物尺寸分布。另外或替代性地，在碾磨过程期间，系统100可以将蒸汽施加至回收的碳质材料以增加回收的碳质材料的团聚物的表面活性和/或氮表面积，从而在橡胶应用中增加与其他材料的交联并且改善回收的碳质材料的增强特性。
然而，以粉末形式，回收的碳质材料难以运输和混合到橡胶应用中，其直径可能<1微米。以粒料形式，回收的材料更容易运输同时最小化空气传播的粉末分散，该粉末分散可能污染制造设施的其他区域、环境保护的区域(例如地下水)等。为了将回收的碳质材料造粒，在混合器150中，喷涂喷嘴152可以用粘结剂(例如，水、甲苯和/或矿物油)润湿回收的碳质材料，同时混合器150将粘结剂和回收的碳质材料混合成大体上均质的混合物，该混合物团聚(或“聚丛”)成回收的碳质材料的粒料195。然后可以将粒料195干燥至特定的水分含量(例如，<1％)。通过减少粒料195的水分含量，系统100可以防止引入不期望的水分到橡胶混合中，该水分可能促成气体排放(或“排气”)，该气体排放是在橡胶混合器和/或塑料母料化混合器内加热粒料195时排放的。当团聚物内的残余水分在加热下蒸发时这些气体排放可以携带有毒组分如多环芳香烃(即，PAH)到制造设施的空气中。
回收的碳质材料(即，回收的炭黑)是可以在轮胎再循环期间提取的一种产物；回收的炭黑可以通过热分解(即，热解)碳质石油来源的材料像原始炭黑来产生，该原始炭黑在热解期间从再循环的橡胶材料如汽车轮胎、卡车轮胎和/或其他轮胎中提取。可以从废弃轮胎中提取和再循环的其他材料包括油、溶剂(从油中蒸馏)、钢、合成气、尼龙纤维等。
当本文描述的系统和方法涉及再循环轮胎橡胶时，可以实施方法S100以再循环其他聚合物材料如工业橡胶(例如，工业软管、带、商业屋顶(commercial roofing))、弹性体、以及塑料(例如黑色或透明塑料瓶子)。另外，除了热解反应器120之外或代替热解反应器120，系统100可以包括配置成解聚聚合物材料如轮胎橡胶的任何其他部件或系统。
3.系统
图1和图2所示的用于将轮胎转化成造粒的、回收的炭黑的系统100包括：在方框S115中的初级轮胎切碎机115，其配置成将选自包括以下的组的一组轮胎101剪接成一定体积的轮胎橡胶段105、一定体积的钢线106以及一定体积的纺织品纤维103：农用轮胎、商用轮胎、以及乘用轮胎；在方框S117中的次级轮胎切碎机117，其配置成剪接具有期望的表面积范围的轮胎橡胶的该体积的轮胎橡胶段105，该体积的轮胎橡胶段配置成大体上均匀地热解；在方框S120中的热解反应器120，其配置成在惰性气氛内使该体积的轮胎橡胶段105热解聚成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料190，该碳质材料包括碳质聚集体的团聚物；在方框S130中的磨机130，其配置成磨碎该体积的碳质材料190以将该体积的碳质材料190内的团聚物的直径到小于最大团聚物直径。在方法S100的方框S150中，系统100还包括混合器150，该混合器包括：在方框S152中的喷涂喷嘴152，其配置成用粘结剂喷涂该体积的碳质材料190；曲颈器，其配置成：混合该体积的碳质材料190和该粘结剂并且将该体积的碳质材料190平移跨越混合器150的长度；并且形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料195。另外，系统100包括：在方法S100的方框S160中的干燥器160，其配置成在干燥器160内干燥该组粒料195至特定的水分；以及在方法S100的方框S170中的粒料分级器170，其配置成从该组粒料195中除去大于最大粒料尺寸的子组粒料195，该最大粒料尺寸与最大粒料硬度成比例，该最大粒料硬度由在一定体积的橡胶聚合物内的该组粒料195的期望的分散系数限定。
通常，系统100配置成接受和切碎一组整个轮胎，选择该整个轮胎以产生特定组成的轮胎橡胶并且将该体积的轮胎橡胶热解成具有与轮胎橡胶的组成成比例的组成的一定体积的碳质材料190，如图8所示。系统100然后可以将该体积的碳质材料190造粒成一组粒料195，该组粒料195可以被实施用于橡胶和塑料应用。特别地，系统100配置成装入废弃(或报废)的整个轮胎，将轮胎中的轮胎橡胶与轮胎内含有的纺织品(即，尼龙)纤维和钢线分离，将轮胎橡胶剪接成大致均匀的部分以形成一定体积的轮胎橡胶段105，将该体积的轮胎橡胶段105进料到热解反应器120内，其中该体积的轮胎橡胶段105解聚成一定体积的碳质材料190，并且然后将该体积的碳质材料190通过以下方式造粒：将该碳质材料碾磨成粉末、混合该粉末与粘结剂、并且团聚和干燥该粉末和粘结剂混合物。对于品质控制，粒料分级器可以从该组粒料中分离并且再循环尺寸过大和尺寸过小的粒料以产生粒料尺寸的窄分布。
3.1切碎系统
在图2、5和8所示的一种实施方式中，系统100可以包括在方框S110中的切碎系统110，该切碎系统配置成将选自包括以下的组的一组轮胎101剪接成一定体积的轮胎橡胶段105：农用轮胎、商用轮胎、以及乘用轮胎，这些轮胎橡胶段包括一组原始炭黑等级、一组橡胶聚合物、一组橡胶添加剂。通常，切碎系统110配置成接收废弃轮胎(例如，来自汽车、卡车、拖拉机、其他农用车辆)的进料，分离废弃轮胎的构成材料并且从废弃轮胎内的钢线和其他材料(例如，尼龙或合成纤维)中除去一定体积的轮胎橡胶，将该体积的轮胎橡胶分割成段(或“切片(chip)”)，并且将该体积的轮胎橡胶段递送至热解反应器120用于热解，如下文描述和图2中所示的。系统100包括切碎系统110(或进料加工系统)，该切碎系统配置成切碎和预加工废弃轮胎以将从废弃轮胎中提取并且与废弃轮胎内的其他材料分离的回收的轮胎橡胶递送至热解反应器120用于热解。可以将该体积的轮胎橡胶段切碎至为了在热解期间大体上均匀的分解而优化的尺寸。另外，系统100配置成将特定组成的进料(轮胎橡胶)递送至热解反应器120以产生特定组成的碳质材料，该碳质材料配置成当在橡胶和塑料中实施时获得特定特性。
特别地，系统100可以包括输送机，该输送机配置成将(废弃)轮胎(即，该组轮胎)的进料递送至切碎系统110。该组轮胎可以包括汽车轮胎、卡车(即，商业的、长途运输的、或“OTR”)轮胎和其他轮胎如农用轮胎和采矿轮胎的成比例的混合物。通常，轮胎包括有机(或碳质)材料和无机(或非碳质)材料。有机材料可以包括来自轮胎橡胶的炭黑和聚合物。特别地，在该体积的轮胎橡胶段105中的炭黑可以包括在表面积、粒径和颗粒分布上不同的大量炭黑等级。例如，该体积的轮胎橡胶段105可以包括从轮胎胎面(例如，N100)中、从轮胎侧壁(例如，N660)中和从轮胎胎体(例如，N900)中提取的一组炭黑等级。无机材料可以包括从轮胎的不同部分中提取的一组橡胶添加剂，如氧化锌、硫、二氧化硅(silicon dioxide)(即，二氧化硅(Silica))、固化剂(例如，TBBS、MBS)、分散剂等，该轮胎中的每个部分包括不同浓度的上述橡胶添加剂。
在一种实施方式中，可以选择该组轮胎101以包括汽车轮胎、卡车轮胎、以及其他轮胎的成比例的混合物(或“比率”)，其限定了具有特定(组成)比率(如碳与硫含量比率)的轮胎橡胶的进料。在该实施方式中，可以优化碳与硫含量的比率以产生包含碳与硫的特定浓度和/或比率的炭黑粒料。通常，在橡胶应用中，硫充当固化剂，其可以缩短包括过量硫的橡胶材料的“烧焦时间(scorch time)”(即，直到橡胶材料完全固化的时间)。因此，橡胶制造商可能希望通过限制制造商在橡胶混合物中所包含的回收的炭黑中含有的硫的量来减少橡胶混合物中的硫含量。
在一个实例中，系统100可以将包括五个乘用轮胎和一个卡车轮胎的轮胎的成比例的混合物切碎成该体积的轮胎橡胶。在该实例中，可以选择该成比例的混合物以限制该体积的轮胎橡胶段105中的进入热解反应器120的硫含量以限制由热解反应器120输出的该体积的碳质材料190和该体积的油123中的硫含量，如下所述。在另一个实例中，系统100可以将包括两个乘用轮胎及一个卡车轮胎的该组轮胎切碎以产生更高硫含量的回收的碳质材料，该碳质材料可能在橡胶应用中是期望的，在该橡胶应用中较低烧焦时间是期望的。在另一种实施方式中，根据由在该体积的碳质材料190内的无机材料(例如，氧化锌、硫、二氧化硅、和其他非碳质材料)的阈值百分比(例如，1％、5％、15％、或20％)限定的轮胎比率，该组轮胎101可以选自包括农用轮胎、商用轮胎、和乘用轮胎的组。例如，卡车(OTR)轮胎典型地含有低二氧化硅含量(按重量计<5％)；并且乘用汽车轮胎可以包括低二氧化硅含量(例如，按重量计10％)或可以包括高二氧化硅含量(例如，按重量计约15％)以减小滚动阻力并且改善车辆效率和一加仑汽油所行驶的里程(gas mileage)。在该实例中，可以选择一组轮胎101以将该体积的轮胎橡胶段105内的二氧化硅含量限制到少于5％。由于进料的二氧化硅含量的可变性，热解反应器120配置成接受和加工不同量的二氧化硅。可以通过任何其他手段和为了任何其他期望的效果来选择该组轮胎101。通常，该组轮胎101的组成直接影响回收的碳质材料的化学组成和回收的碳质材料在橡胶和塑料应用内的性能，如图8所示。
如图5和11所示，切碎系统110可以包括初级轮胎切碎机115，其配置成将废弃轮胎的进料中的橡胶与废弃轮胎的进料内的钢和其他材料分开。通常，在方法的方框S115中，初级轮胎切碎机115可以包括两个转动刀片，每个刀片与另一个刀片邻近。可以将刀片定位成使得当第一刀片转动时，第一刀片的切割表面经过第二刀片的切割表面。因此，由于第一刀片和第二刀片的转动移动，可以剪切位于第一刀片与第二刀片之间的材料。当该组转动刀片转动时，刀片将材料剪切(或切开)成离散部分(或段)。在方框S110中，系统100可以将该组轮胎101进料到初级轮胎切碎机115内，其可以将整个轮胎切开成段。在初级切碎期间，初级切碎机115可以分离橡胶与钢和纺织品纤维，从而从该体积的轮胎橡胶段105中除去该组轮胎101中的无机内容物的一部分。
另外或替代性地，初级轮胎切碎机115还可以将橡胶切开成具有目标尺寸的块，该块配置成在热解反应器120内分解。例如，初级轮胎切碎机115可以将该组轮胎101切开成具有一英寸的最大宽度、一英寸的最大高度和一英寸的最大长度的颗粒、条带和/或切片。然而，初级轮胎切碎机115可以将该体积的轮胎橡胶段105剪接成具有任何特定体积、最大尺寸、和/或表面积的剪接物。
在图6示出的一个变型中，系统100还可以包括在方法S100的方框S117中的次级轮胎切碎机117，其配置成将轮胎橡胶切碎成一定体积的轮胎橡胶段105。在该变型中，在与初级轮胎切碎机115中的该组轮胎101的其他组分(例如钢线和纺织品纤维)分离后，次级轮胎切碎机117可以将由初级轮胎切碎机剪接的该体积的轮胎橡胶段切碎成具有期望的表面积、体积和/或最大尺寸(例如，长度或宽度)的轮胎橡胶的更小的段。可以选择表面积使得在热分解(即，热解)期间该体积的轮胎橡胶段105大体上均匀地热解成一定体积的碳质材料190、该体积的油123和该体积的气体。通常，次级轮胎切碎机117可以包括两个转动刀片，每个刀片与另一个刀片邻近。可以将刀片定位成使得当第一刀片转动时，第一刀片的切割表面经过第二刀片的切割表面。因此，由于第一刀片和第二刀片的转动移动，可以剪切位于第一刀片与第二刀片之间的材料。当该组转动刀片转动时，刀片将材料剪切(或切开)成离散部分(或段)。刀片之间的距离限定了由次级轮胎切碎机117剪接的轮胎橡胶段的尺寸。例如，该体积的轮胎橡胶段105可以包括一英寸宽、两至三英寸长、以及大约半英寸厚的轮胎橡胶段的剪接物。如下文所描述，当尺寸过大的轮胎橡胶段进入热解反应器120时，该体积的轮胎橡胶段105可以保持部分地(或不完全地)热解和/或可以使该体积的轮胎橡胶的一部分过热并且转化成炭(char)。在另一个实例中，次级轮胎切碎机117可以将该组轮胎101切开成具有一英寸的最大宽度、一英寸的最大高度和一英寸的最大长度的颗粒、条带和/或切片。
替代性地，在图6所示的一种实施方式中，可以将初级轮胎切碎机115和次级轮胎切碎机117联接和/或整合使得初级轮胎切碎机115可以将与其他组分(例如钢和尼龙)分离的该体积的轮胎橡胶段105直接进料到次级轮胎切碎机117内，其中将该体积的轮胎橡胶段105剪接成具有一定形状因数(例如，粒料、立方体、或切片)的段，该段配置成在热解反应器120内均匀地且完全地热解。在前述实施方式中，初级和/或次级轮胎切碎机117可以将该体积的轮胎橡胶段105切开成大体上矩形的块体(例如，1英寸×1英寸×2英寸)、立方体、球体、锥体、和/或任何其他形状。另外或替代性地，次级轮胎切碎机117还可以从该体积的轮胎橡胶段中除去纺织品纤维(即，尼龙纤维)。
然后可以将该体积的轮胎橡胶分散到磁性分离器内，该磁性分离器可以将磁性材料(例如，钢)与非磁性材料(例如，橡胶)分离。磁性分离器可以运行以限制将钢和其他无机的磁性材料引入到热解反应器120中。从进料到磁性分离器内的橡胶中提取的磁性材料可以进料返回到切碎系统110内和/或可以分布到钢清洁器内，该清洁器可以进一步清洁钢并且从钢中提取剩余的橡胶残余物。然后可以将橡胶残余物进料到热解反应器120内或返回到切碎系统110内用于次级和/三级切碎。
替代性地，系统可以接受由场外制造商(offsite manufacturer)在不同场所切碎的轮胎切片(即，一定体积的轮胎橡胶)。在该变型中，系统可能未能严密地控制该体积的轮胎橡胶的组成，因为系统仅接受由场外(第三方)制造商选择的该体积的轮胎橡胶。在该变型中，该体积的轮胎橡胶可以包括多种类型的轮胎的随机的或成比例的混合物-系统100对其组成几乎没有施加控制。然而，当在橡胶或塑料应用中实施时，可能没有优化该体积的轮胎橡胶以产生来源于该体积的轮胎橡胶的该体积的碳质材料的特定组成或性能。例如，场外制造商可以根据商用轮胎与农用轮胎的指定的比率来选择轮胎。然而，场外制造商可能未能考虑、测试或选择对该(所得)的碳质材料的组成关键的其他要素，如二氧化硅含量、轮胎中所包含的炭黑等级等。因此，该体积的碳质材料的化学组成和性能可以根据由场外制造商选择的该体积的轮胎橡胶的组成变化(正面地或负面地)。为了控制该体积的碳质材料的化学组成和性能，系统可以优选地将整个轮胎剪接成该体积的轮胎橡胶段以便证实产生具有特定的化学组成和/或性能的一定体积的碳质材料190的进料组成。通常，可以选择该体积的轮胎橡胶段的组成以在热解后产生任何其他组成的碳质材料。
3.2热解反应器
如图7所示，系统100可以包括在方框S120中的热解反应器120，其配置成在惰性气氛内(例如，在不存在氧气的情况下)将该体积的轮胎橡胶段105热解聚(或分解)成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料190，该碳质材料包括碳质聚集体的团聚物。特别地，热解反应器120配置成当热解反应器120内的加热元件加热该体积的轮胎橡胶段105时，通过在热解反应器120内施加真空并且实质性地减少在热解反应器120内存在的氧气的体积来限制该体积的轮胎橡胶段105的燃烧。通常，热解反应器120配置成加热该体积的轮胎橡胶段105(即，切碎的废弃轮胎)以诱导该体积的轮胎橡胶段105的解聚，从而产生固体碳质残余物(即，该体积的碳质材料190)、热解油、以及气体(例如，“合成气”或合成气体，其包括氢气、一氧化碳和其他气相燃料)。
可以将该体积的轮胎橡胶段105以特定的进料速率(例如，2000磅/小时)进料到在方框S120中的热解反应器120内，该进料速率由热解反应器120的阈值容量(例如，最大进料速率，热解反应器120的体积容量)、期望的生产速率(例如，每小时生产600磅碳质材料或每小时生产800磅油)、和/或该体积的碳质材料190的期望的组成限定。
在一种实施方式中，输送系统可以将该体积的轮胎橡胶段105进料到热解反应器120内。在热解期间，可以将该体积的轮胎橡胶段105(以及包含的炭黑等级)热解聚成一定体积的碳质材料190，该碳质材料包括来源于原始炭黑等级组的碳颗粒的碳质聚集体。碳质材料可以限定来源于该组原始炭黑等级(例如，N100-N900等级的炭黑)的有机材料和来源于该组橡胶添加剂的无机材料的基质，如图10所示。
如图7A所示，在一种实施方式中，热解反应器120可以包括连续进料反应器，其配置成当轮胎橡胶沿着连续进料反应器的长度平移时连续热解该体积的轮胎橡胶段105。特别地，连续进料反应器可以包括沿着热解反应器120的长度散布的加热元件、和曲颈器(即，进料螺杆)，该曲颈器配置成在热解反应器120的进口与出口之间转动地推动该体积的轮胎橡胶段105。另外，曲颈器可以配置成刮擦或紧贴地通过热解反应器120的内壁以限制部分地热解的轮胎橡胶在反应器的内表面上的累积。当静态地留在反应器的内壁上时，累积的部分地热解的轮胎橡胶可以过热并且变成“过度热解的”(即，“煮得过久的(overcooked)”)；当轮胎橡胶过度热解时，可能减少回收的碳质材料的颗粒的表面积和/或表面活性，当在橡胶应用中实施时限制回收的碳质材料的增强特性。
另外或替代性地，热解反应器120可以包括间歇热解反应器120，其配置成接受该体积的轮胎橡胶段105并且在固定位置经过时间窗口热解该体积的轮胎橡胶段105，如图7B所示。
热解反应器120还可以输出一定体积的油123和一定体积的气体。在方框S122中，该体积的油123和该体积的气体可以包括在热解期间从轮胎橡胶中提取的硫和其他材料的浓缩物(concentration)。在一种实施方式中，该体积的气体可以包括残余的碳质材料，该残余的碳质材料可以被携带至可以与热解反应器120联接的气体提取系统内。由于该体积的气体在离开热解反应器120时的高速度，可以将一些碳质材料吹到或以其他方式携带到气体提取系统内。为了防止由于碳质材料在气体提取系统内的累积引起的气体提取系统的堵塞，气体提取系统可以包括位于热解反应器120与气体提取系统之间的过滤器。过滤器可以配置成在碳质材料进入在过滤器的下游的气体提取系统的主体之前捕获残余的碳质材料。可以每隔一段时间改变和/或清洁过滤器以防止过滤器的堵塞。如果过滤器将要堵塞，则堵塞物会限制该体积的气体逸出热解反应器120，引起可燃气体(和压力)在热解反应器120内的累积。类似地，该体积的油123可以包括残余的碳质材料，该残余的碳质材料被携带至可以与热解反应器120联接的油提取系统内。油提取系统可以包括过滤器，该过滤器配置成在进入油提取系统的下游部分之前捕获碳质材料，该下游部分可以包括具有喷涂喷嘴的油冷凝系统。
在一种实施方式中，在方框S120中，热解反应器120可以输出该体积的碳质材料190，该碳质材料包括特定粒度分布的(团聚的碳)颗粒。例如，粒度分布可以包括粒度的第99百分位数(即，D99)小于30微米并且粒度的第50百分位数(即，D50)小于6微米的颗粒。例如，粒度分布可以包括粒度的第99百分位数(即，D99)小于50微米并且粒度的第50百分位数(即，D50)小于2微米和/或1-2微米的平均团聚物尺寸的颗粒。在另一个实例中，热解反应器120将废弃轮胎转化成该体积的碳质材料190，该碳质材料包括在200微米至400微米之间的团聚物，该团聚物包括在500纳米与2微米之间的碳颗粒。另外或替代性地，热解反应器120可以输出具有在60m2/g与70m2/g之间的氮表面积和在65m2/g与70m2/g之间的颗粒表面积的碳颗粒。如上文所描述，在一定体积的碳质材料190内的碳颗粒的氮表面积和颗粒表面积通常预测该体积的碳质材料190在橡胶应用中的性能。通常，热解反应器120可以配置成在操作温度(>500华氏度数)和操作压力下操作，这产生特定的颗粒表面化学和解聚百分比并且输出具有直接与该体积的轮胎橡胶段(即，进料)的组成成正比的组成的碳质材料。
热解反应器120还可以包括磁性分离器124，如图7A所示。在方法S100的方框S124中，磁性分离器124可以配置成在热解后从该体积的碳质材料中磁性提取剩余的钢和其他磁性材料。
另外或替代性地，输送机或其他运输系统(例如，气动输送机或人类操作员)然后可以将该体积的碳质材料190从热解反应器120运输至进料料斗，该进料料斗可以将该体积的碳质材料190递送至精整系统(finishing system)，该精整系统配置成将该体积的碳质材料(粉末)190转化成造粒的炭黑，如下所述。
通常，该体积的碳质材料190的粒度和组成与该体积的轮胎橡胶的粒度和组成成比例，该体积的碳质材料来源于该体积的轮胎橡胶。然而，由于该体积的轮胎橡胶的变化的碳粒度，系统可以碾磨、粉碎、和/或以其他方式减少在该体积的碳质材料内的颗粒以产生大体上均匀分布的颗粒，该大体上均匀分布的颗粒当实施到橡胶和塑料应用中时产生一致的性能，如下所述。
3.3磨机
如图3和4所示，系统100可以包括精整系统，该精整系统包括在方框S130中的磨机130或其他研磨或磨碎系统，其配置成磨碎该体积的碳质材料190以将在该体积的碳质材料190内的团聚物的直径减小到小于最大团聚物直径。通常，磨机130可以配置成将该体积的碳质材料190粉碎、研磨和/或磨碎成更小和/或标准化的尺寸分布的炭黑的团聚物，这使得实现了一致的性能和分布
磨机130可以包括锤磨机、珠磨机、蒸汽磨机(steam mill)、和/或任何其他研磨、粉碎或碾磨机器。例如，系统100可以包括锤磨机，该锤磨机可以用锤子销(hammer pin)将该体积的碳质材料190压碎成更小的团聚物，从而引起在该体积的碳质材料190内构成团聚物的子组键的破坏并且引起团聚物的结构和形状的转变。替代性地，系统100可以包括蒸汽喷射磨机，其配置成将该体积的碳质材料190研磨成更小的团聚物，同时用蒸汽激活团聚物的表面化学，这可以促进炭黑的聚集体与炭黑的团聚物和/或其他材料(例如橡胶聚合物)之间的键合。通常，磨机130可以将该体积的碳质材料190研磨成一定体积的碳质材料190，其中每个团聚物具有在500纳米与两微米之间的平均直径。然而，系统100可以包括任何其他类型的磨机，该磨机可以将该体积的碳质材料190研磨成任何其他尺寸的团聚物和/或尺寸分布。
如上文所描述，系统100可以包括进料料斗，其配置成接受该体积的碳质材料190并且将该体积的碳质材料190以特定的进料速率递送至磨机130用于粉碎。在一种实施方式中，进料料斗可以包括锥状斜槽或阀门，其配置成在热解后保持碳质材料并且将碳质材料沉积到磁性分离器124内，该磁性分离器配置成提取在该体积的碳质材料190内剩余的磁性(例如，钢或其他磁性金属)残余物，如图7A所示。
通常，由热解(方框S120)产生的该体积的碳质材料190包括在500纳米与10微米之间的碳质团聚物。与原始炭黑的碳质团聚物相比，由于回收的碳质团聚物的尺寸、表面化学、非均匀的组成、粒度分布等，这些碳质团聚物展现出有限的分散和增强特性。因此，系统100可以运行以将这些碳质团聚物破碎成更小的团聚颗粒(在500纳米与2微米之间)并且将该更小的团聚颗粒造粒以形成炭黑粒料(即，一组粒料195)，如图4所示。系统100可以将碳质材料碾磨至一定范围的团聚物尺寸(即，粒度分布)以限制尺寸过大的团聚物。另外，系统100可以配置成限制尺寸过小的团聚物。在一种实施方式中，粒度分布可以由最大(目标)粒度限定，该最大(目标)粒度可以对应于进入热解反应器120的原始炭黑等级的最大已知的颗粒或团聚物尺寸(例如，对于N900系列原始炭黑，约1微米粒度)，如图12所示。另外或替代性地，粒度分布可以由最大(目标)粒度限定，该最大(目标)粒度可以对应于在该体积的轮胎橡胶中的无机材料如二氧化硅和/或硫的最大已知的颗粒或团聚物尺寸。此外，最大粒度可以对应于(或与其成比例)用于炭黑的最大粒度(例如5微米)的工业标准和/或由磨机的规格限定的粒度最小值。
另外或替代性地，粒度分布可以限定最小粒度，该最小粒度可以对应于在该体积的轮胎橡胶中进入热解反应器120的原始炭黑等级的最小已知的颗粒或团聚物尺寸(例如，对于N100系列原始炭黑，约10纳米粒度)。最小粒度可以另外地或替代性地对应于在该体积的轮胎橡胶中的无机材料如硫、二氧化硅和/或钙的最小已知的颗粒或团聚物尺寸。此外，最大粒度可以对应于(或与其成比例)用于炭黑的最小粒度(例如，500纳米)的工业标准或最大已知粒度(例如，10纳米)，该最大已知粒度当搅动时可以变成空气传播的或由人类可呼吸的。在一个示例性实施方式中，锤磨机可以将该体积的碳质材料190磨碎至具有小于最大粒度(例如，5微米)并且大于最小粒度(例如，750纳米)的团聚物尺寸的分布。
在一个变型中，磨机130还可以包括混合室，在该混合室中该体积的碳质材料190可以与特定湿度水平(例如干燥)的增压空气混合。在该变型中，增压空气可以将团聚物推动到磨机130内用于粉碎，如图10所示。
3.4磨机分级器
如图3所示，系统100可以包括在方框S140中的磨机分级器140，其配置成从该体积的碳质材料190中除去大于最大团聚物直径的团聚物。另外或替代性地，磨机分级器140可以配置成除去小于最小团聚物直径的团聚物。通常，在碾磨之后，磨机130可以将该体积的碳质材料190沉积到磨机分级器140内，该磨机分级器配置成从该体积的聚集体颗粒中分离尺寸过大的团聚物(即，大于预定的可接受的直径或在粒度分布之外的团聚物)。例如，磨机分级器140可以分离直径大于10微米的团聚物并且将这些团聚物再循环通过磨机130用于进一步研磨。
另外或替代性地，磨机分级器140可以从该体积的聚集体颗粒中分离尺寸过小的团聚物(即，小于预定的可接受的直径或在可接受的颗粒尺寸范围之外的颗粒)。因此，磨机分级器140抑制将尺寸过大和/或尺寸过小的团聚物通过到系统100的后续部分中，其中将再次对尺寸过大和/或尺寸过小的聚集体进行造粒、干燥和分级。
在图3中示出的一种实施方式中，系统100可以将大于最大团聚物尺寸的回收的碳的团聚物进料返回到磨机130(例如，锤磨机)内；在第三时间间隔期间磨碎大于最大团聚物尺寸的团聚物以将大于最大团聚物尺寸的团聚物的团聚物尺寸减小到小于最大团聚物尺寸的团聚物尺寸；以及将粉末混合到该体积的碳质材料190内。在该实施方式中，系统100可以将尺寸过大和/或尺寸过小的团聚物再循环返回到磨机130内。该实施方式运行以在第一次(或后续)通过磨机130后减少由于不合规格尺寸的团聚物引起的回收的碳质材料的损失并且增加系统100的总生产量(throughput)。
3.4混合器
如图3和4所示，系统100还可以包括在方框S150中的混合器150，其配置成在第一间隔期间混合该体积的碳质材料190与粘结剂，该混合器150诱导形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料195。通常，在分级后，输送系统(例如气动输送机)可以将该体积的碳质材料190运输至进料料斗用于将该体积的碳质材料190分布到可以包括混合器150的造粒系统199内。在一种实施方式中，在沉积到混合器150内后，混合器150可以实施该体积的聚集体颗粒的湿法造粒工艺。在该实施方式中，在方框S152中，分散在整个混合器150中的喷涂(例如雾化)喷嘴可以用粘结剂(如水、甲苯、氧化锌、木质素磺酸盐、矿物油、和/或任何其他粘结剂)喷涂该体积的碳质材料190。例如，混合器150内的喷嘴可以用一定体积的水(例如混合器150内的碳质材料的总质量的30％-50％)喷涂该体积的碳质材料190。替代性地，在沉积到混合器150内之前，喷嘴可以用水和/或其他试剂喷涂该体积的碳质材料190。
在一个变型中，混合器150可以将粘结剂-如甲苯、水、木质素磺酸钙、淀粉、糖蜜、和/或任何其他粘结剂-喷涂或以其他方式混合到该体积的碳质材料190内以促进碳团聚物团聚成离散的粒料并且改变碳质材料与橡胶添加剂(例如，聚合物、固化剂、和/或分散剂)之间的交联和键合。如下所述，混合到炭黑的该体积的碳质材料190内的粘结剂可以影响由该组粒料195复配的橡胶和塑料材料的材料特性以及该组粒料195的分散(和混合)行为(当与其他材料和组分混合时)。通常，回收的炭黑粒料包括粘结剂(例如配体)，该粘结剂在造粒期间引入以辅助与其他材料的颗粒的粘结和交联并且辅助碳质材料团聚成离散的(团聚的)粒料。然而，在不存在粘结剂的情况下，在该组粒料195的外表面上存在的碳质灰分(carbonaceous ash)可以起粘结剂的作用。
在前述实施方式中，可以搅动、转动、和/或混合该体积的水和该体积的碳质材料190以诱导碳团聚物团聚(即，聚丛或“球化(balling)”)成离散的炭黑粒料(该组粒料195)。例如，混合器150可以包括配置成搅动和混合和形成均质的粒料的销式混合器。
另外或替代性地，在沉积到混合器150内之后，混合器150可以实施该体积的碳质材料190的干法造粒工艺，其中干燥的炭黑的团聚物通过将团聚物滚成粒料来压实(或压缩)。然而，混合器150可以根据任何其他合适的方法通过任何其他手段形成或模制炭黑的粒料。
3.5干燥器
如图9A所示，系统100还包括在方框S160中的干燥器160，其配置成在干燥器160内在第二间隔期间将该组粒料195干燥至特定的水分含量，该第二间隔由该组粒料195平移跨越该干燥器160的长度的速率和该干燥器160的操作温度限定。通常，在造粒后，输送机(例如气动输送机)可以将该组粒料195运输至干燥器160以减少在该组粒料195内的水分含量。另外或替代性地，干燥器160可以将该组粒料195干燥至特定的粒料硬度。
在一种实施方式中，干燥器160可以加热该组粒料195以蒸发在该组粒料195内的水和其他液相流体，并且从而减少该组粒料中的水分含量(例如，减少了99％直到少于1％水分剩余)。在该实施方式中，干燥器160可以驱动助燃空气通过该组粒料195以加热碳粒料和诱导蒸发。替代性地，干燥器160可以包括加热元件，该加热元件可以直接地或间接地加热含有该组粒料195的室。在该实施方式中，干燥器160可以驱动过滤(干燥)的空气通过该组粒料195。在一种实施方式中，助燃空气可以包括在热解期间从热解反应器120中提取的该体积的气体。通常，在干燥期间引入到系统100的气体可以影响该组粒料195的表面化学，当与其他材料混合时这可能影响炭黑团聚物的分散和增强特性。
干燥器160还可以包括离心机、曲颈器螺杆、或其他混合室，其配置成在干燥过程期间混合粒料以促进在干燥器160内的整个该组粒料195的均匀干燥。然而，干燥器160可以通过任何其他合适的手段干燥该组粒料195。
在图9A所示的一个变型中，干燥器160可以包括沿着干燥器160的长度散布的加热元件。床(例如，输送带和/或流化床)可以沿着干燥器160的长度运输该组粒料195，加热元件增加该组粒料195的温度以诱导从该组粒料195中蒸发出水分。替代性地，干燥器160可以限定在横切干燥器160的长度的平面与水平面(即，由地板限定)之间的角度，如图9C所示。在该实施方式中，干燥器160可以将角度操纵为不太尖锐以增加该组粒料195横穿干燥器160的长度的速度并且操纵为更尖锐以减小该组粒料195横穿干燥器160的长度的速度。更慢的速度与更长的干燥间隔以及因此更低的水分含量相关联。更高的速度与更短的干燥间隔以及因此更高的水分含量相关联，如图9B所示。
通常，干燥器160可以将该组粒料195干燥(例如诱导将水分蒸发掉)至特定的水分含量(例如小于百分之二的水分含量)。然而，由于可变的环境条件，干燥器160可以反复地干燥该组粒料195直到该组粒料195包含目标水分含量。例如，干燥器160可以将该组粒料195干燥到小于百分之二的水分含量的特定的水分含量。另外，系统100可以通过尺寸和/或硬度分级从该组粒料195中分离超过特定的水分含量的一组高水分含量粒料。系统100然后可以将高水分含量粒料运输返回到磨机130，其中磨机130可以将该组高水分含量粒料碾磨成粉末。系统100然后可以混合该粉末与该体积的碳质材料190以将该粉末和该体积的碳质材料190重新造粒。
在一个变型中，系统100可以在延长的储存时期(例如一个月)后对一组粒料195重新造粒和/或干燥以减少经过长储存时期由于暴露于环境湿度而可能从环境中吸收的水分含量、回收的碳质材料的固有的颗粒孔隙率、和/或粒料的钙含量。在该实施方式中，干燥器可以接受该组粒料195并且再次将该组粒料195干燥至特定的水分含量。替代性地，可以将该组粒料195重新造粒。在该实施方式中，系统100可以将该组粒料195往回引入到磨机130内，其中磨机130可以将该粒料磨碎成粉末。可以将该粉末与该体积的碳质材料190混合并且然后在混合器150内与粘结剂混合以形成新组的粒料195。然后可以将该新组的粒料195再次干燥至特定的水分含量。
3.6粒料分级器
另外或替代性地，系统100可以包括(第二)粒料分级器170，其配置成从该组粒料195中除去大于最大粒料尺寸的子组粒料。输送机可以将该组粒料195运输至粒料分级器170(例如格栅(grate)或转动分级轮)，其配置成从该组粒料195中分离尺寸过大和尺寸过小的粒料。粒料分级器170可以从该组粒料中识别、分类、和提取尺寸过大(即，大于预限定范围的可接受的粒料尺寸)和/或尺寸过小(即，小于预限定范围的可接受的粒料尺寸)的子组粒料。粒料分级器170然后可以将尺寸过大和尺寸过小的粒料返回到磨机130的进料料斗，其中将重新研磨尺寸过大和尺寸过小的粒料并且再次与待造粒、干燥和分级的该体积的碳质材料190混合。因此，粒料分级器170可以运行以分离大致均匀尺寸(或形状或直径)的粒料，设施操作员然后可以将该粒料包装并且船运至消费者用于应用。
在一种实施方式中，系统100可以从该组粒料195中除去大于最大粒料尺寸的子组粒料195。在该实施方式中，最大粒料尺寸可以直接与最大粒料硬度成正比，该最大粒料硬度由当与一定体积的橡胶聚合物和/或塑料聚合物混合时该组粒料195的期望的分散系数限定。
另外或替代性地，粒料分级器170可以除去小于最小粒料尺寸的子组粒料。最小粒料尺寸可以大于该体积的碳质材料190的最大粒度(例如，1微米)并且与该体积的轮胎橡胶段105内的该组原始炭黑等级中的炭黑的最大等级的粒度成比例。
另外或替代性地，系统100还可以包括粉尘收集器180，其分散在整个系统100中并且配置成从系统100内的空气中提取炭黑粉尘(即，细粉或小颗粒)并且防止由于炭黑粉尘在系统100内积聚引起的堵塞。粉尘收集器180可以运行以减少用于系统100的保养(up-keep)和延长的操作的清洁时间。
5.产品
系统100可以输出回收的炭黑粒料，可以将该回收的炭黑粒料重新研磨、混合、和/或以其他方式实施于工业应用如橡胶复配、塑料复配、塑料染色中。该组粒料195包括在一微米与十微米之间的碳质团聚物。这些碳质团聚物可以与其他材料混合以替代原始炭黑团聚物，如N500、N700、和N900等级炭黑。通常，该组粒料包括与在热解反应器120中热解的该体积的轮胎橡胶段成比例(和/或等同)的组成的碳质材料。特别地，为转变成该体积的碳质材料而选择的该组轮胎展现出对由系统产生的该(输出)碳质产物的直接影响。
另外，系统100可以产生碳质团聚物，该碳质团聚物展现出特定的表面化学或表面积，其有益于混合和分散，由在方框S110中从该组轮胎中提取的该体积的轮胎橡胶段的组成产生。例如，碳质团聚物可以在碳质团聚物的外表面处展现出高浓度的氮。因此，当用于橡胶复配时碳质团聚物可以展现出高的氮表面积，这表明碳质团聚物与其他材料之间的特定的结合亲和性。
6.后加工
通常，轮胎包括天然和/或合成橡胶、抗降解化学品、固化剂(curative)、增强填料(例如，炭黑和二氧化硅)、玻璃纤维、钢线等。如图2、5、6和8所示，轮胎可以通过将钢和多种纤维与轮胎中的橡胶组分分离并且将橡胶组分经过真空轮胎热解热分解来再循环。从废弃轮胎中提取的橡胶的轮胎热解的产物包括富含芳族化合物的烃油、回收(或热解)的炭黑、气体、和钢线。回收的炭黑在形态和化学组成上与原始炭黑-由热解石油产生不同。通常，回收的炭黑包括在轮胎橡胶的热分解期间产生的烃和来源于添加至轮胎的其他材料(例如二氧化硅、氧化锌、玻璃纤维)的其他污染物的混合物。这些污染物可以形成灰分和沙砾。通常，灰分包括在材料的不完全燃烧或热分解-在这种情况下从废弃轮胎中再循环的橡胶的不完全分解之后剩余的非水、非气体材料。灰分可以包括无机材料，如氧化锌、硫、碳酸钙、金属等。
方法S100的一个变型可以通过系统100实施以减少复配物(compound)中沙砾含量的影响，该复配物包含回收的炭黑(在下文中“一定体积的碳质材料190”)、灰分、和通过热解从再循环-或废弃-的轮胎中提取的橡胶产生的沙砾的混合物。由于沙砾和灰分颗粒通常比该体积的碳质材料190聚集体更大和更重，沙砾和灰分可以引起由该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物产生的橡胶和/或塑料的表面瑕疵。例如，在为挤出而开发的橡胶复配物中，沙砾和其他污染物可以诱导表面瑕疵，如凹坑、凸起和断片(divot)，其可能损害或降低挤出橡胶的材料特性(例如，屈服强度、拉伸强度、杨氏模量)。
如图13和14所示，方法S100的一个变型包括减少复配物中的沙砾和其他污染物的影响，该复配物包含该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物；包括通过在复配之前从混合物中提取或以其他方式除去无机材料的一部分来减少将无机材料引入到复配物中。通常，在方法S100中，在方法S100的方框S191中系统100可以用稀释的酸(例如，硫酸或盐酸)洗涤该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物以使混合物去矿化并且因此从混合物中除去无机材料以形成具有更低灰分含量的经处理的碳质材料192。然后在方法S100的方框S193中系统100可以将经处理的碳质材料192浸泡在中和洗液如水中。另外或替代性地，在方法S100的方框S194中系统100可以用碱(例如氢氧化钠)洗涤该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物以从混合物中除去剩余的无机物并且形成具有更低灰分含量的经处理的碳质材料192。酸和/或碱起作用以使混合物去矿化，从而减少混合物中的灰分和沙砾含量。然后在方法S100的方框S196中系统100可以将经处理的碳质材料192浸泡在中和洗液如水中。
用于减少复配物中的沙砾和其他污染物的影响的方法S100的一个变型包括减小沙砾和灰分颗粒的尺寸，该复配物包含该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物。如图9所示，变型包括在喷射磨机和/或蒸汽磨机中粉碎和/或碾磨该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物以减小混合物的总粒度并且产生混合物内粒度的更均匀的分布，从而限制由于粒度差异引起的表面像差(aberration)。另外或替代性地，系统100可以包括空气分级磨机(在下文中ACM)，其运行以分离大的重的颗粒(例如沙砾和灰分)，从而限制将尺寸过大的颗粒引入到在橡胶和塑料复配中应用的混合物内并且限制由于粒度差异引起的表面像差。
用于减少复配物中的沙砾和其他污染物的影响的方法S100的另一个变型包括改变进料和热解操作参数以防止轮胎来源的橡胶的燃烧，该燃烧促进在废弃轮胎来源的橡胶的热分解期间产生灰分和沙砾，该复配物包含该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物。通常，通过将热解反应器120的操作温度维持为低于阈值温度并且增加材料在热解反应器120内的停留时间，系统100限制材料的炭化(即，灰分产生)。
另外，系统100可以接收来源于多种类型的轮胎(例如，汽车、卡车、农用轮胎)的组合的一定体积的轮胎橡胶(即，进料)；系统100可以选择进料以限制在热解期间产生沙砾和其他污染物。每种类型的轮胎包含不同的材料和不同百分比的材料。因此，来源于从汽车轮胎中提取的热解的橡胶的该体积的碳质材料190、沙砾和灰分的混合物在组成上不同于来源于从卡车轮胎中提取的热解的橡胶的该体积的碳质材料190、沙砾和灰分的混合物。例如，来源于从汽车轮胎中提取的热解的橡胶的该体积的碳质材料190、沙砾和灰分的混合物可以具有比来源于从卡车轮胎中提取的热解的橡胶的该体积的碳质材料190、沙砾和灰分的混合物更低的灰分含量和更少的无机污染物(例如硫或二氧化硅)。系统100可以装入来源于特定组合类型的轮胎的一定体积的轮胎橡胶(即，进料)以产生该体积的碳质材料190、沙砾和灰分的特定的混合物并且从而限制可以在橡胶和/或塑料复配物中产生表面瑕疵的污染物。例如，进料可以包括具有大约60％-85％的来源于汽车轮胎的橡胶和大约15％-40％的来源于卡车轮胎的橡胶的橡胶以限制在橡胶挤出应用中应用的橡胶复配物中的凹坑化。
然而，系统100可以通过任何其他手段或方法减少复配物中的沙砾和其他污染物的影响，该复配物包含该体积的碳质材料190、灰分和沙砾的混合物。
本文描述的系统100还可以包括任何替代性或另外的部件或机械装置，其配置成将回收的炭黑团聚物加工成特定的尺寸和/或形状，所述炭黑团聚物展现出特定的材料特性，如结合亲和性、分散效力等。
实施例的系统和方法可以至少部分地体现和/或实施为配置成接收计算机可读介质(存储计算机可读指令)的机器。指令可以由与用户计算机或移动装置或其任何合适的组合的应用程序、小应用程序(applet)、主机、服务器、网络、网站、通信服务、通信接口、本地应用程序(native application)、框架、内嵌框架(iframe)、硬件/固件/软件要素整合的计算机可执行部件来执行。实施例的其他系统和方法可以至少部分地体现和/或实施为配置成接收计算机可读介质(存储计算机可读指令)的机器。指令可以由通过与上文描述的类型的器件和网络整合的计算机可执行部件整合的计算机可执行部件来执行。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质如RAM、ROM、闪速存储器、EEPROM、光学装置(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器、或任何合适的装置上。计算机可执行部件可以是处理器，尽管任何合适的专用的硬件装置可以(替代性地或另外)执行指令。
如本领域技术人员将从先前详细的描述中以及从附图和权利要求书中认识到，可以对本发明的前述实施例进行修改和变化而不背离如在以下的权利要求书中限定的本发明的范围。
Claims (22)
1.一种用于将轮胎转化成造粒的、回收的炭黑的方法，该方法包括：
●将一组轮胎剪接成一定体积的轮胎橡胶段，该体积的轮胎橡胶段包括一组原始炭黑等级、一组橡胶聚合物和一组橡胶添加剂，该组轮胎选自包括农用轮胎、商用轮胎和乘用轮胎的组；
●在热解反应器中，在惰性气氛内，使该体积的轮胎橡胶段热解聚成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料，该体积的碳质材料包括碳质聚集体的团聚物；
●磨碎该体积的碳质材料以将该体积的碳质材料内的团聚物的直径减小到小于最大团聚物直径；
●从该体积的碳质材料中除去大于该最大团聚物直径的团聚物和小于最小团聚物直径的团聚物；
●在混合器内，在第一间隔期间混合该体积的碳质材料与粘结剂，该混合器诱导形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料；
●在干燥器内在第二间隔期间将该组粒料干燥至特定的水分含量，该第二间隔由该组粒料平移跨越该干燥器的长度的速率和该干燥器的操作温度限定；以及
●从该组粒料中除去大于最大粒料尺寸的第一子组粒料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将该组轮胎剪接包括：
●在初级轮胎切碎机内，将该组轮胎中的轮胎橡胶与一定体积的钢线和一定体积的纺织品纤维分离；以及，
●在邻近该初级轮胎切碎机的次级轮胎切碎机内，将该组轮胎中的轮胎橡胶切碎成该体积的轮胎橡胶段，该体积的轮胎橡胶段包括具有期望的表面积范围的轮胎橡胶的块，该块配置成在热分解期间均匀地热解成该体积的碳质材料、该体积的油以及该体积的气体。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使该体积的轮胎橡胶段热解聚包括使该体积的轮胎橡胶段热解聚成包括碳质聚集体的该体积的碳质材料，该碳质聚集体限定来源于该组原始炭黑等级的有机材料和来源于该组橡胶添加剂的无机材料的基质。
4.如权利要求3所述的方法，该方法进一步包括：根据对应于该体积的碳质材料内的无机材料的阈值百分比的轮胎比率从包括该农用轮胎、该商用轮胎和该乘用轮胎的该组中选择该组轮胎。
5.如权利要求4所述的方法，其中，根据对应于该体积的碳质材料内的按重量计的硫的阈值百分比的该轮胎比率从包括该农用轮胎、该商用轮胎和该乘用轮胎的该组中选择该组轮胎，该硫的阈值百分比小于百分之二十。
6.如权利要求3所述的方法，其中，将该组轮胎剪接包括将该组轮胎剪接成包括该组橡胶添加剂的该体积的轮胎橡胶段，该组橡胶添加剂选自包括氧化锌、二氧化硅和硫的组。
7.如权利要求3所述的方法，该方法进一步包括：用酸洗涤该体积的碳质材料以从该基质中释放该组橡胶添加剂的一部分。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在该干燥器内将该组粒料干燥包括将该组粒料干燥到小于百分之二的水分含量的该特定的水分含量。
9.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
●从该组粒料中分离超过该特定的水分含量的一组高水分含量粒料；
●将该组高水分含量粒料碾磨成粉末；以及
●在该混合器内，混合该粉末与该体积的碳质材料。
10.如权利要求1所述的方法，其中，除去大于该最大粒料尺寸的该第一子组粒料包括除去大于与最大粒料硬度成比例的该最大粒料尺寸的该第一子组粒料，该最大粒料硬度由当混合一定体积的橡胶聚合物时该组粒料的期望的分散系数限定。
11.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：从该组粒料中除去除去小于最小粒料尺寸的第二子组粒料，该最小粒料尺寸大于该体积的碳质材料的最大粒度，该最大粒度与该组原始炭黑等级中的炭黑的最大等级的粒度成比例。
12.一种用于将轮胎转化成造粒的、回收的炭黑的方法，该方法包括：
●将选自包括以下的组的一组轮胎剪接成一定体积的轮胎橡胶段：农用轮胎、商用轮胎、以及乘用轮胎；
●在热解反应器中，在惰性气氛内，使该体积的轮胎橡胶段热解聚成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料，该体积的碳质材料包括碳质聚集体的团聚物；
●在造粒系统内：
○磨碎该体积的碳质材料以将该体积的碳质材料内的团聚物的直径减小到小于最大团聚物直径；
○在混合器内：
Ω用粘结剂喷涂该体积的碳质材料；并且
■在第一间隔期间混合该体积的碳质材料，该混合器诱导形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料，该第一间隔由该混合器内曲颈器的进料速率和该混合器的长度限定；
○在干燥器内在第二间隔期间将该组粒料干燥至特定的水分含量，该第二间隔由该组粒料平移跨越该干燥器的长度的速率和该干燥器的操作温度限定，该组粒料平移跨越该干燥器的长度的速率由该干燥器的长度的平面与水平面之间的角度限定；
○从该组粒料中除去大于最大粒料尺寸的第一子组粒料。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在该干燥器内将该组粒料干燥包括将该组粒料加热至该操作温度以诱导将该组粒料内的水分蒸发到小于百分之二的水分含量。
14.如权利要求13所述的方法，该方法进一步包括：
●从该组粒料中分离超过该特定的水分含量的子组的高水分含量粒料；
●将该组高水分含量粒料碾磨成粉末；以及
●在该混合器内，混合该粉末与该体积的碳质材料。
15.如权利要求12所述的方法，其中，除去大于该最大粒料尺寸的该第一子组粒料包括除去大于与最大粒料硬度成比例的该最大粒料尺寸的该第一子组粒料，该最大粒料硬度由当与一定体积的橡胶聚合物混合时该组粒料的期望的分散系数限定。
16.如权利要求12所述的方法，该方法进一步包括：从该组粒料中除去小于最小粒料尺寸的第二子组粒料，该最小粒料尺寸大于该体积的碳质材料的最大粒度，该最大粒度与该组原始炭黑等级中的炭黑的最大等级的粒度成比例。
17.如权利要求16所述的方法，其中，除去小于该最小粒料尺寸的该组粒料包括除去小于该最小粒料尺寸的该组粒料，该最小粒料尺寸大于该体积的碳质材料的该最大粒度，该最大粒度与该组原始炭黑等级中的炭黑的最大等级的粒度成比例，该组原始炭黑等级中的炭黑的最大等级的该粒度超过100纳米。
18.如权利要求12所述的方法，其中，磨碎该体积的碳质材料包括在锤磨机内将该体积的碳质材料碾磨至小于两微米的该最大粒度并且大于500纳米的该最小粒度的团聚物尺寸的分布。
19.如权利要求18所述的方法，该方法进一步包括：
●将大于最大团聚物尺寸的回收的碳的团聚物进料到该锤磨机内；以及
●在第三时间间隔期间碾磨大于该最大团聚物尺寸的团聚物以将大于该最大团聚物尺寸的团聚物的团聚物尺寸减小到小于该最大团聚物尺寸；以及
●将该粉末混合到该体积的碳质材料内。
20.如权利要求19所述的方法，该方法进一步包括：将该体积的碳质材料进料到磁性分离器内，该磁性分离器配置成从该体积的碳质中提取一定体积的钢的剩余物以减少该体积的碳质的无机含量。
21.一种用于将轮胎转化成造粒的回收的炭黑的系统，该系统包括：
●初级轮胎切碎机，其配置成将一组轮胎剪接成一定体积的轮胎橡胶段、一定体积的钢线和一定体积的纺织品纤维，该组轮胎选自包括农用轮胎、商用轮胎和乘用轮胎的组；
●次级轮胎切碎机，其配置成将该体积的轮胎橡胶段剪接成具有期望的表面积范围的轮胎橡胶块，该块配置成热解；
●热解反应器，其配置成在惰性气氛内使该体积的轮胎橡胶段热解聚成一组热解副产物，这些热解副产物包括一定体积的碳质材料，该体积的碳质材料包括碳质聚集体的团聚物；
●磨机，其配置成磨碎该体积的碳质材料以将该体积的碳质材料内的团聚物的直径到小于最大团聚物直径；
●混合器，其配置成用粘结剂喷涂该体积的碳质材料、混合该体积的碳质材料和该粘结剂并且将该体积的碳质材料平移跨越该混合器的长度、并且形成具有一定范围的粒料直径的一组粒料；
●干燥器，其配置成在干燥器内将该组粒料干燥至特定的水分含量；以及
●粒料分级器，其配置成从该组粒料中除去以下子组粒料：
○大于最大粒料尺寸，该最大粒料尺寸与最大粒料硬度成比例，该最大粒料硬度由在一定体积的橡胶聚合物内的该组粒料的期望的分散系数限定；以及
○小于最小粒料尺寸，该最小粒料尺寸由该体积的碳质材料的最大粒度限定，该最大粒度与该体积的轮胎橡胶段内的该组原始炭黑等级中的炭黑的最大等级的粒度成比例。
22.如权利要求21所述的系统，其中，该热解反应器包括连续床反应器，该连续床反应器包括沿着该反应器的长度散布的加热元件和输送系统，该输送系统配置成将该体积至轮胎橡胶平移至该加热元件之上以诱导该体积的轮胎橡胶段沿着该连续床反应器的长度递增地热分解，在该连续床反应器的出口处，该体积的轮胎橡胶段完全解聚成该体积的碳质材料。
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