熱解工藝和產(chǎn)物的制作方法
【專利說明】熱解工藝和產(chǎn)物
[0001]本申請是2010年10月13日遞交的PCT國際申請PCT/US2010/052530于2012年6月14日進(jìn)入中國國家階段的中國專利申請?zhí)枮?01080056905.0、發(fā)明名稱為“熱解工藝和產(chǎn)物”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]本申請要求2009年10月14日遞交的美國臨時申請61/251，721的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，所述申請通過弓I用整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種將碳質(zhì)供料轉(zhuǎn)化為碳固體和熱解氣體的熱解裝置和工藝，以及用于精制所得到的碳固體和熱解氣體的工藝。
【背景技術(shù)】
[0004]熱解是用于在不存在氧時將烴材料拆解為較小成分材料的熱過程，所述較小成分材料包括具有寬范圍分子量的碳和烴以及氣體。當(dāng)供料由有機(jī)聚合物組成時，熱解使得聚合物主干分解，并且產(chǎn)物可以包括焦炭以及可凝和不可凝氣體。
[0005]在輪胎熱解期間，在橡膠化合物中的化學(xué)鍵被拆解，創(chuàng)建有機(jī)化合物和不可凝氣體的混合物。碳黑，作為輪胎聚合物基體中的主要組分，被釋放。存在于輪胎中的其他無機(jī)化合物，例如二氧化硅、氧化鋅和氧化鋁，也從聚合物基體釋放出來?；w中由較大的碳鏈(C6以及更大)組成的有機(jī)化合物在常規(guī)操作溫度升華為氣態(tài)，這些有機(jī)化合物包括芳族的、脂族的和烯族的烴。不可凝氣體，例如甲烷、乙烷、丙烷、氫、一氧化碳和硫化氫，在熱解期間也被形成。當(dāng)碳從聚合物鏈分裂并且碳化時，少量額外的碳黑也被形成。輪胎熱解過程的終產(chǎn)物典型地包括碳黑、熱解油、不可凝氣體和無機(jī)灰。
[0006]幾個問題被認(rèn)為阻礙了商用熱解系統(tǒng)在技術(shù)上和在商業(yè)上的可行性。例如，熱解過程和得到的產(chǎn)物高度依賴于數(shù)個變量，所述變量包括進(jìn)料材料的類型、尺寸和形狀；熱解條件，例如熱解速率、處理器類型、處理器內(nèi)的熱和氣體流梯度；共混合和離開處理器的氣體和碳；以及用于有效地回收和分離期望的產(chǎn)物的方法。
[0007]進(jìn)一步地，從熱解系統(tǒng)離開的熱解氣體料流典型地包含可凝和不可凝氣體的混合物和一小部分流化的碳黑和無機(jī)灰顆粒，所述碳黑和無機(jī)灰顆粒被夾帶在氣體料流中。在氣體中的某些化學(xué)品，特別是烯烴和芳香烴，與碳顆粒有親和力并且開始在碳表面凝結(jié)。在氣體中的其他化學(xué)品，特別是極性化合物，會在無機(jī)灰顆粒上凝結(jié)。這樣的凝結(jié)導(dǎo)致碳和無機(jī)灰混合物會附著在表面上，引起不期望的積聚遍布系統(tǒng)。這樣的積聚能夠終宄導(dǎo)致過度的積污和堵塞。最終，這樣的積聚能夠?qū)е略黾拥木S護(hù)和用于清潔的停工期。如果可凝熱解氣體通過例如冷凝的方法被收集，被碳黑和無機(jī)灰污染的熱解油或熱解氣體會是不可接受的污染物，降低產(chǎn)物的純度。如果輕的不可凝氣體要被收集或被燃燒，夾帶的碳和無機(jī)灰會最終弄臟管道、閥門、泵、壓縮機(jī)、燃燒器或其他設(shè)備。
[0008]以下提供熱解系統(tǒng)的舉例:2008年2月12日頒布的USPN 7，329，329 ；2004年5月 18 日頒布的 USPN 6,736,940 ;2001 年 4 月 24 日頒布的 USPN 6，221，329 ;2000 年 11月21日頒布的USPN 6，149，881 ;授予Green的USPN 6，048, 374 ；1993年7月6日頒布的USPN5，225,044; 1991年8月6日頒布的USPN 5，037，628。上述專利的每一個通過引用整體并入本申請。
[0009]以下提供針對熱解得到的產(chǎn)物的進(jìn)一步后處理和用途的舉例:2008年8月26日頒布的USPN 7,416,641 ;2006年9月5日頒布的USPN 7，101,463 ;2001年11月27日頒布的 USPN 6,322,613 ;2000 年8月 15 日頒布的 USPN 6，103，205 ; 1999 年 4 月 13 日頒布的USPN5，894，012 ;1989年6月13日頒布的USPN 4，839，151。上述專利的每一個通過引用整體并入本申請。
[0010]在輪胎熱解期間，硫化鋅的生成也在以下文獻(xiàn)中被報(bào)道，所述文獻(xiàn)通過引用整體并入本申請:“舊輪胎的真空熱解。針對油和碳黑產(chǎn)物的終用途”(The Vacuum Pyrolysisof usedtires.End use for the oil and carbon black products) ；C Roy, A Chaala和H.Darmstadt ;分析和應(yīng)用熱解雜志(Journal of Analytical and Applied Pyrolysis),1999年第5期第201-221頁。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]碳質(zhì)供料的熱解方法包括將碳質(zhì)供料引入一熱解處理器，所述熱解處理器包括垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器，加熱所述供料至高于約790 °F的溫度，從所述熱解處理器的底部部分移除碳材料，以及從所述熱解處理器的頂部部分移除熱解氣體。
[0012]在一些實(shí)施方案中，所述引入步驟包括將所述供料引入垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器，所述垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器具有至少兩個大體水平的盤，所述盤圍繞所述垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器的縱向軸線旋轉(zhuǎn)，所述加熱步驟還包括使所述供料重力跌落。
[0013]在一些實(shí)施方案中，所述引入步驟包括將所述供料引入垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器，所述垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器包括在所述重力跌落期間調(diào)平所述供料的調(diào)平臂，和移動所述供料經(jīng)第一盤中的狹槽到在所述第一盤垂直下方的第二盤的耙狀物。
[0014]在一些實(shí)施方案中，所述加熱步驟包括利用來自所述處理器內(nèi)的加熱元件的輻射熱，并且其中所述熱解氣體的對流從所述垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器的中心軸線向所述熱解處理器的圓周邊穿過所述大體水平的盤發(fā)生。
[0015]在一些實(shí)施方案中，所述引入步驟包括從具有大約3/4x3/4x3/8英寸的尺寸的碎輪胎引入沒有鋼的碳質(zhì)供料。
[0016]在一些實(shí)施方案中，還包括在引入所述供料至所述熱解處理器之前對所述供料進(jìn)行除氣，以及對來自所述熱解處理器的碳材料進(jìn)行除氣，其中，已除氣的供料被輸送至所述熱解處理器，并且已除氣的碳材料從所述熱解處理器經(jīng)冷卻螺旋被輸送，所述冷卻螺旋包括經(jīng)過所述冷卻螺旋的軸、條板和套的冷卻材料。
[0017]在一些實(shí)施方案中，所述移除碳材料的步驟包括移除包括大約80-99%的碳的碳材料，所述碳包含與1-19 %的無機(jī)灰混雜的直至4 %的表面結(jié)合熱解油，所述碳材料具有與直至2%的ZnS顆?；祀s的有機(jī)化合物。
[0018]在一些實(shí)施方案中，還包括通過將碳和無機(jī)金屬氧化物連同來源于橡膠的熱解油的粘合材料共混創(chuàng)建所述供料，其中所述加熱步驟包括在惰性氣氛中加熱，所述加熱使得所述粘合材料分解，在碳無機(jī)金屬氧化物吸附劑上留下烴液的敷層。
[0019]在一些實(shí)施方案中，所得到的固體材料可以進(jìn)一步被加工，所述加工通過減小碳材料的尺寸以創(chuàng)建大體在20微米以下的減小的碳產(chǎn)物，將所述減小的碳產(chǎn)物按尺寸分級，以移除超過不期望的尺寸的顆粒，來提供大體一致的碳產(chǎn)物，通過將所述大體一致的碳產(chǎn)物與粘合劑混合使所述大體一致的碳產(chǎn)物粒化，形成小丸，并且干燥所述小丸；以及針對期望的尺寸分布篩分所述小丸。
[0020]優(yōu)選地，減小所述碳材料的尺寸是通過尺寸減縮磨進(jìn)行的，所述分級是用一系列期望的篩孔尺寸的篩進(jìn)行的，所述?；ㄓ脽峤鈦碓吹挠彤a(chǎn)物的粘合劑來?；?，而所述篩分產(chǎn)生在負(fù)14目和正35目之間的期望的尺寸分布。
[0021]所得到的氣體可以進(jìn)一步被加工以分離期望的熱解油(pyrol oils)和不可凝氣體，所述加工通過使來自于熱解處理器的熱解氣體通過第一冷凝塔，所述第一冷凝塔包括第一過濾器和第一冷凝面，其中第一冷凝油被冷凝且被捕獲在第一油罐中，并且所述第一冷凝油的一部分經(jīng)過第一冷凝塔被再循環(huán)，使來自于所述第一冷凝塔的熱解氣體通過第二冷凝塔，所述第二冷凝塔包括第二過濾器和第二冷凝面，其中第二冷凝油被冷凝且被捕獲在第二油罐中，并且所述第二冷凝油的一部分經(jīng)過所述第二冷凝塔被再循環(huán)，以及使來自所述第二冷凝塔的熱解氣體通過第三冷凝塔，所述第三冷凝塔包括第三冷凝面，其中第三冷凝油被冷凝并且被捕獲在第三油罐中，并且所述第三冷凝油的一部分經(jīng)第三冷凝塔被再循環(huán)。
[0022]本發(fā)明的一個方面提供一種經(jīng)多重冷凝塔加工來自于碳質(zhì)供料熱解過程的排氣的方法，所述排氣包括不可凝氣體和熱解油，所述方法包括:使來自于熱解過程的排氣通過第一冷凝塔，所述第一冷凝塔包括第一過濾器和第一冷凝面，其中第一冷凝油被冷凝且被捕獲在第一油罐中，并且其中所述第一冷凝油的一部分再循環(huán)經(jīng)過所述第一冷凝塔；以及使來自于所述第一冷凝塔的熱解氣體通過第二冷凝塔，所述第二冷凝塔包括第二過濾器和第二冷凝面，其中第二冷凝油被冷凝且被捕獲在第二油罐中，并且其中所述第二冷凝油的一部分再循環(huán)經(jīng)過所述第二冷凝塔的一部分。
[0023]在一些實(shí)施方案中，還包括加熱所述第一冷凝油的步驟，其中所述第一冷凝油的所述部分被再循環(huán)至所述第一冷凝塔的頂部部分，以控制第一溫度，所述第一冷凝油在所述第一溫度冷凝。
[0024]優(yōu)選地，其中所述第一冷凝油的所述部分被加熱并且經(jīng)第一噴射器被再循環(huán)至所述第一冷凝塔的所述頂部部分，并且其中所述第一冷凝油的第二部分經(jīng)指向所述第一過濾器的第二噴射器被再循環(huán)，來移除細(xì)粒積聚以收集在所述第一油罐中。
[0025]優(yōu)選地，其中所述第二冷凝油的所述部分經(jīng)第三噴射器被再循環(huán)至所述第二冷凝塔的頂部部分，以控制第二溫度，所述第二冷凝油在所述第二溫度冷凝，并且所述第二冷凝油的第二部分經(jīng)指向所述第二過濾器的第四噴射器被再循環(huán)，來移除細(xì)粒積聚以收集在所述第二油罐中。
[0026]優(yōu)選地，還包括使來自所述第二冷凝塔的所述熱解氣體通過第三冷凝塔，所述第三冷凝塔包括第三冷凝面，其中第三冷凝油被冷凝并且被捕獲在第三油罐中，并且所述第三冷凝油的一部分從所述第三油罐被再循環(huán)至所述第三冷凝塔的頂部部分。
[0027]優(yōu)選地，還包括使來自所述第三冷凝塔的所述熱解氣體通過熱交換器以冷凝第四冷凝油。
[0028]優(yōu)選地，其中所述第一冷凝油在所述第一冷凝塔中在大約325 420 °F之間的溫度被冷凝，所述第二冷凝油在所述第二冷凝塔中在大約275 375 °F2間的溫度被冷凝，所述第三冷凝油在所述第三冷凝塔中在大約175 °F* 325 °F之間的溫度被冷凝，并且所述第四冷凝油在所述熱交換器中在低于大約85 °?的溫度被冷凝。
[0029]優(yōu)選地，還包括使來自所述熱交換器的所述熱解氣體通過凝聚過濾器以移除任何剩余的污染物。
[0030]優(yōu)選地，其中所述第一過濾器、第二過濾器、第一冷凝面、第二冷凝面和第三冷凝面包括填充材料。
[0031]根據(jù)本申請的一個方面，提供一種碳質(zhì)供料的熱解方法，包括將碳質(zhì)供料引入熱解處理器，所述熱解處理器包括垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器，所述垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器包括至少兩個大體水平的盤，所述盤圍繞所述垂直旋轉(zhuǎn)盤處理器的縱向軸線旋轉(zhuǎn)；加熱所述供料至高于約790 T的溫度，其中所述供料通過耙狀物移動所述供料經(jīng)所述盤中的狹槽在盤之間被重力跌落，并且通過調(diào)平臂在每個盤處被調(diào)平；移除來自所述熱解處理器的底部工段的碳材料；移除來自所述熱解處理器的頂部工段的熱解氣體；使來自所述熱解處理器的所述熱解氣體通過第一冷凝塔，所述第一冷凝塔包括第一過濾器和第一冷凝面，其中第一冷凝油被冷凝并且被捕獲在第一油罐中，并且所述第一冷凝油的一部分經(jīng)第一冷凝塔被再循環(huán)；使來自所述第一冷凝塔的熱解氣體通過第