CN100532502C - 热解条件下处理物料的装置和方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在热解条件下处理物料的装置，该装置包括一个加工物料的外壳。本发明的特征在于，在外壳内设置一个挤压螺杆。本发明还涉及一种在热解条件下处理物料的方法，以及该装置及方法的应用。

Description

热解条件下处理物料的装置和方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种热解条件下处理物料的装置，该装置包括处理物料的外壳(housing)。本发明也涉及一种在热解条件下三段处理物料的方法，即物料加热段，物料可至少部分塑化的反应段以及形成一个或更多加工产物的第三段。此外，本发明还涉及此装置和/或方法的应用。

背景技术

热解条件下的处理是一种众所周知的方法，用于三段从煤中制取炭，例如从US-A-5,296,005或WO-A-02/31081中所知。在所知的每一种方法中，煤被加热并随后至少部分塑化，并且损失挥发性物质(当其被继续加热)。在一段时间之后，塑性煤损失一定量的挥发性物质，且其化学组分发生了变化，这样，随着煤继续损失挥发性物质，其变成脆性并转化成炭。通常，此方法在一个或更多的外壳内实现，通过外壳采用螺杆输送煤与炭。

此方法的缺陷是当煤塑化时，煤粘连一起并形成密实结块，其不再有效在外壳内输送，而是在螺杆叶片之间呈现为厚大结块。在其反应段不发生混合作用。由于没有混合发生，传递到煤的热量很微弱，这导致了靠近(热的)外壳的煤变得过热而远离外壳的煤加热不足。由于塑性煤的粘性，外壳经常被阻塞。其结果为，在反应段必须缓慢加热这些煤，这导致需要长的处理时间以及大或长的装置。对于其它在热解条件下被处理且至少在处理过程中部分时间内塑化的物料，存在着同样的缺陷。

发明内容

本发明的目标在于提供一种方法和装置，用于在热解条件下处理物料，从而高效而快速地生产加工产物。

本发明的另一个目标在于提供一种方法和装置，用于在热解条件下处理物料，在其中的反应段，物料可很好地加热。

本发明的再一个目标在于提供一种方法和装置，用于在热解条件下处理物料，其中，物料的停留时间和温度分布可很好地控制。

根据本发明的第一个方面，提供了一种在热解条件下处理物料的装置，该装置包含一个处理物料的外壳，壳内设置一个反向旋转的互相啮合的双挤压螺杆(counter rotating intermeshing double extrusionscrew)。

在热解条件下处理物料的装置中使用互相啮合且反向旋转的双挤压螺杆可达到有效增强在外壳内输送物料及加工产物，尤其是对于至少部分塑性物料，可导致从外壳到物料的良好热传递。对于本发明，互相啮合的双挤压螺杆定义为这样一种挤压螺杆，其含有两个大致平行带叶片的螺杆，使得叶片的厚度至少为两个相邻叶片间距的一半，且其螺杆轴间距至多为两个螺杆叶片高度的相加。

互相啮合且反向旋转的双挤压螺杆的使用导致物料的正压位移(positive displacement)，而单螺杆则是通过摩擦阻力(frictionaldrag)输送物料，很多摩擦特性不好的物料在被单螺杆传送时产生严重的送料问题。互相啮合且反向旋转的双挤压螺杆同时还使得对于重质液体和粒子态物料，特别是对于至少部分塑性的物料，混合非常有效。优选的是，双螺杆应互相紧密啮合。

为了清晰起见，应该明白，对于本发明，在热解条件下的处理应理解为这样的物料处理，即物料被加热到一定温度，其间不供氧或氧气仅存在局部低压，从而发生多种化学反应并形成一个或更多的加工产物及反应液体，比如各类油和/或各类气体。使用的物料及形成的加工产物将在下面阐明。

优选的是，挤压螺杆设在一个横截面呈8字形的外壳内。这些螺杆紧密装在外壳内，待处理的物料必须停留在螺杆的叶片之间。除了针对某些物料的8字形横截面的外壳，同样可使用Ω形横截面的外壳。

根据一个优选实施例，挤压螺杆具有一根中空轴。该中空轴使得同样通过螺杆有可能加热物料及加工产物，在中空轴内输送热气体或热液体导致更大面积地加热物料及加工产物。

优选的是，中空轴上一叶片或多叶片也为中空。这导致对物料及加工产物更好地加热。

有可能在挤压螺杆的至少部分长度上设置一个双叶片。这样的好处是螺杆具有附加表面，可导致物料更快地加热和使用更短的螺杆。

同样有可能在挤压螺杆上设置变节距叶片。这样的好处是对处理过程中各段都能改善处理控制。

优选的是，挤压螺杆具有带交替短节距与长节距分段的叶片。节距短的分段用于加热和混合处理的物料，而节距长的分段用于物料的脱挥发份(devolatilization)的过程中。

根据一个优选实施例，挤压螺杆的叶片具有一个短节距分段，一个长节距分段，优选的是，还有一个端节距终止分段。此实例可用于热解一些物料，诸如金属氧化物(例如，从铁矿石到钢)，焦油，重油，沥青，废料，塑料及生物质(biomass)(例如，从木材到生物柴油(biodiesel)。

优选的是，在挤压螺杆的每一个具有长节距叶片的分段之前，在挤压螺杆轴与外壳之间设有一个捏和元件。此捏和元件用于在其上游分段内产生压强。

根据一个优选实施例，外壳具有一个或更多用于形成气体的出口和/或一个或更多用于形成产物的出口。当在处理过程的不同段中生成了不同的产物，这些不同的产物由此可单独排出。此同样适用于形成的气体。

优选的是，至少对于挤压螺杆上每一个具有长节距叶片的分段，在外壳内设有一个用于形成气体的出口。这些气体在那些具有长节距叶片的挤压螺杆分段中释放。

优选的是，螺杆轴与外壳之间的距离至少差不多同两个连续叶片之间的距离一样，更为优选的是，轴与外壳的间距大于两个连续叶片之间的距离。这将导致对物料及产物的最佳热传递。

根据此装置的一个优选实施例，螺杆的轴上设有诸如桨叶和/或杆件的内部零件。这些内部零件提供对物料及加工产物的捏和作用。而捏和物料及产物达到对其全面彻底的混合，并由此导致非常有效的热传递。

优选的是，外壳制为双层壁。这样，可有效地将热气体或热液体引导在外壳的内壁上，以加热物料及产物。

优选的是，外壳和/或挤压螺杆由铸铁制成，优选为球墨铸铁。对于根据本发明某些处理所需的反应温度，挤压螺杆和/或外壳由球墨铸铁铸造可使装置相对廉价。然而，如有需要，挤压螺杆和/或外壳可由钢合金或其他金属(合金)制造。

根据一个优选实施例，外壳长度在1到25米之间，优选为8到15米之间，更为优选的是大约12米。

根据本发明的第二个方面，提供了一种在热解条件下三段处理物料的方法，即物料加热段，物料可至少部分塑化的反应段以及可形成一个或更多加工产物的第三段，其中，加工产物在外壳内由物料形成，同时物料及产物在此外壳内被一个互相啮合且反向旋转的双挤压螺杆强制输送。

由于在外壳内强制输送这些物料，物料及加工产物被很好控制，物料及加工产物的温度分布固定不变，不会产生过热。使用互相啮合且反向旋转的双挤压螺杆达到在反应段可以非常有效地混合至少部分塑性物料，这是由于物料被保留在每个螺杆叶片之间大致为C形分段内，这里，其它螺杆进行全面彻底的混合。本发明的这种如上所述的双挤压螺杆的形状和结构将在下面予以阐明。

优选的是，在物料及加工产物的输送过程中，螺杆是自动清洗的。当此螺杆为自动清洗型时，将没有物料或加工产物黏附在螺杆上，这导致从螺杆到物料或产物更高效的热传递。

根据优选的方法，物料及加工产物在输送过程中进行捏和。捏和这些物料及产物达到对其全面彻底的混合，及由此带来的非常高效的热传递。

优选的是，挤压螺杆以至多每分钟25转的速度旋转，优选为大约每分钟1转的速度。这种较低的转速导致物料及加工产物高效混合。

优选的是，物料及加工产物加热到300℃至1000℃的最高温度，更优选的是加热到400℃至700℃的温度，更加优选的是加热到大约600℃的温度。当然，这些温度取决于待处理的物料。由于在外壳内对物料高效混合及加热作用，用于加热外壳和螺杆的热气体或热液体的温度无需要比物料的最高温度高很多。

优选的是，在外壳内物料及加工产物的输送时间在10到60分钟之间。由于优良的混合，这些产物迅速成形，且处理过程可在短时间内完成。

根据优选的方法，物料及加工产物在0.5巴到5巴之间的压强下以固/液/气相处理。由于较高的压强，物料加工更为快速。

如有必要，可在装置内设置内部零件，以促进物料和/或加工产物的混合。诸如桨叶，杆件或其它工具的内部零件可容易地应用在装置上，以改善混合、捏和、运送或热传递。这些内部零件应当(部分)取代挤压螺杆的叶片。必要时，也可在外壳上施加所需的温度梯度，以促进物料的处理。

根据本发明的第三个方面，对本发明第一个方面的装置和/或对本发明第二个方面的方法实施了应用，其中，物料煤经过加工成为炭产物。本发明的方法和装置非常适合于加工煤，这是因为至少这种部分塑性煤可被很好混合，由此良好加热，而且通过外壳很好运送。

根据本发明如上所述的装置和方法也可用于实现热解条件下其它的处理或化学转化。在升至高温，各段过渡及高温分离的化学反应现在也能对几乎所有类型的物料应用本发明的装置和/或方法实现。

使用该装置及方法，可以实现还原金属氧化物。可在适当的条件下使用还原剂，以产生高转化速率，每一种处理方法都适应还原剂。

可用作金属氧化物的物料实例为氧化铁(例如在铁矿石或提浓物(concentrate)中，或在含氧化铁的残渣内)，用于生成铁或钢，五氧化二砷提浓物，或含氧化铅的矿石(或含氧化铅的提浓物或废料中)，其可还原成砷或铅。同样，铝，锌或一氧化铜可转化为铝、锌或铜。如有必要或有用时，原则上所有金属氧化物都可在有适当还原剂的条件下转化为金属。

可用于获得奇妙转化的还原剂是含碳物料，诸如煤、木炭、焦炭、聚合物、残渣或其它含碳物料。

根据本发明如上所述的装置及方法也可用来加工焦油和/或油类，以生成汽油、柴油燃料或其它运输用燃料和/或其它化学制品。例如，焦油和重油是石油工业中的渣油产物。目前，这些渣油不得不在高温下裂化，以形成有用产品。采用本发明的方法及装置对焦油和重油进行热解可快速而又相对廉价地生成所需产品。这些产品包括汽油，柴油燃料和/或化学制品，例如酚盐(fenolates)、萘(nafthalenes)、甲基萘(methyl nafthalenes)、蒽、杂酚油、软沥青、硬沥青、浸渍沥青，阳极沥青和石墨沥青。

根据本发明如上所述的装置及方法可进一步用于处理废料，诸如轮胎或塑料残渣，以生成油和气体。本发明的方法及装置非常适合废料的轻度热解，例如，其将产生70％的油，15％的气体以及15％的炭状残渣。该方法及装置还提供一种用于在热解条件下处理旧轮胎的实用技术，而迄今为止，该技术在已知的热解装置里尚不能实现。此外，通过采用本发明的方法及装置，若干类型的废料可转化为类似气体和油类的有用产品。

可对塑料等聚合体物料在热解条件下进行处理，以生成单分子物体，聚合体存在有这样的结构单元(building blocks)。由于聚合体具有较好的混合及迁移特性，因此本发明的方法及装置非常适于实现这种转化。

对生物质在热解条件下进行处理可将其转化为油类和气体(以及炭状物料的矿物质)。这些油可用作运输的燃料，如生物柴油。由于生物质良好的热传递、捏和、混合和/或迁移特性，因此本发明的方法及装置对这种转化的效率非常高。采用本发明的方法及装置生成的能量可有助于解决引起地球变暖的二氧化碳问题。

附图说明

本发明将参照一个优选实施例及附图加以阐明。

图1非常概略地表示本发明一个装置的部分横截面图。

图2更为详细地表示图1中装置的主体部分。

图3表示一个双挤压螺杆，其被用在图1所示的装置中。

具体实施方式

图1表示本发明装置的一个优选实施例，其典型适用于将煤转化为炭状物料。装置1具有一个双壁外壳2。在外壳内部设置两个挤压螺杆3，其将在下面阐明。在图1的插图中仅看到一个挤压螺杆3。该螺杆3为中空的，用于引导热气体或热液体通过螺杆，参见入口箭头A和出口箭头B。

外壳2具有几个入口和出口。设置入口4以使热气体进入(参见箭头C)到外壳的两个壁之间，而设置出口5以排出这些气体(参见箭头D)。设置入口6以供给待处理的物料进入外壳内部。这些物料由一个储料斗10供给并进入入口6，参见箭头E。在物料的处理过程中形成了气体，其通过出口7和8排出，参见出口箭头F和G。设置出口9以排出加工产物。如果生成多个产物，则可设置数个出口。

图2更为详细地示出螺杆3和部分外壳2。所示中空螺杆3为横截面，其像一个装有螺旋叶片11的管子。图中仅示出一个排气出口7/8。另外的标记对应于图1中的部分。

图3更为详细地示出一个双挤压螺杆，其被用于图1和图2的装置1中。螺杆3与3’具有一个中空轴和叶片11，11’，叶片也优选为中空的，以利于当热气体引导通过螺杆时可将热量最好地传递至待处理的物料。螺杆相互之间以非常微小的间隙紧密配合，并紧密配合在8字形横截面的外壳3内，图中仅示出外壳的内壁。应该理解的是，螺杆可由不同分段组成，例如每一段具有不同的节距。螺杆叶片的某部分可被诸如桨叶或杆件形式的内部零件取代。

本发明物料处理的方法将参照附图在下面予以阐明。

热解条件下的物料处理是这样一种物料处理的方法，即物料被加热到一定温度，其间不供氧或氧气仅存在局部低压，由此产生多种化学反应和转化并形成加工产物和反应气体。在升至高温，各段过渡及高温分离的化学反应现在也能对几乎所有类型的物料应用本发明的装置和/或方法实现。

物料由储料斗10供给，经由入口6进入外壳2，由挤压螺杆3输送通过外壳2，并经出口9排出。在输送过程中，物料被通过螺杆和外壳输送的热气体或热液体加热。处理过程可再分为三段：加热段、反应段以及加工产物与气体的形成段。每段大致占用外壳长度的三分之一。加热段位于入口6的下方；产物生成段则位于外壳上设有出口9的末端。

由于设有图3所示互相啮合的双挤压螺杆，这种螺杆采用反向旋转的形式，使得螺杆的顶部彼此相对地旋转，因而物料在螺杆的叶片之间的隔室内被充分混合。这在处理过程的反应段尤为重要，由于高温的作用，在反应段内很多待处理的物料被至少部分塑化，通常最高应在300℃到1000℃之间的某个温度。这种部分的塑性物料非常粘稠，难以混合并由此难以均匀受热，造成在近外壳壁或近螺杆的温度太高，而隔室中间位置则温度太低。此外，这种粘性很容易导致装置的阻塞。

本发明的双挤压螺杆克服了反应段粘稠塑性物料所遭遇的问题。由于螺杆之间的微小间隙，每个隔室几乎被封闭。这造成物料在隔室内很好地混合，并由此达到良好的热传递效果。这些封闭的隔室被挤压螺杆强制通过外壳，因此不会发生阻塞。由于有控制地进行输送，而导致温度状况亦可控制。

通常，螺杆慢速旋转，大约每分钟1转，当然其取决于待处理物料的种类及螺杆的长度。在大多数情况下，一个长度为12米的装置足能满足要求。

待处理的物料几乎可以是任何物料。热解条件下的处理是一种已知用于处理煤以生产炭或焦炭的方法。然而，本发明的方法及装置也可用于处理焦油或油类，以便生成汽油，柴油燃料和/或其它化学制品。此外，此方法及装置还可用于处理轮胎以生成油和气体，同样也可处理家庭废物等废弃物料，或者更特殊的废料，例如塑料。除了这些物料，此方法及装置也可用于处理生物质，以生成油和气体形式的燃料。

在热解条件下处理过程中生成各类气体。其类型可根据过程中的不同段而有所不同。对于大多数待处理物料来说，这些气体尚可用于产生能量。可以灵敏地把一段生成的气体同另一段生成的气体分离开来。因此，图1中示出两个出口7，8。这些出口的确切位置取决于被热解的物料，并且可设置两个以上的出口。对于其它物料，一个出口可能足够，如图2中所示。上面所述适用于形成产物的出口。

应该理解，如图3中所示的双挤压螺杆仅仅是本发明的装置中可使用的合理构型之一。例如，将有可能在其至少部分的长度上采用双叶片的螺杆，或者使用带变节距叶片的螺杆。此外，螺杆轴之间的距离可以改变，前提是叶片保持互相啮合，否则会导致混合不良。另外，叶片的厚度也可改变。

Claims (29)

1.一种处理物料装置的应用，该装置包括一个外壳，其中，外壳内设置一反向旋转的互相啮合的双挤压螺杆，其中，互相啮合的双挤压螺杆定义为这样一种挤压螺杆，其具有两个大致平行带叶片的螺杆，使得叶片的厚度至少为两个相邻叶片间距的一半且螺杆的轴之间的距离至多为两个螺杆上的叶片的高度相加，其中，这两根螺杆在外壳内配合紧密，使得受到处理的物料必须停留在螺杆的叶片之间，其中，外壳内物料的处理在热解条件下进行，并且所述物料为煤，其处理旨在制作炭。

2.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，挤压螺杆具有一中空轴。

3.根据权利要求2所述的装置的应用，其中，中空轴上的一叶片或多叶片也为中空。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置的应用，其中，在挤压螺杆的至少部分长度上具有一个双叶片。

5.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，挤压螺杆具有变节距叶片。

6.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，挤压螺杆具有带交替短节距与长节距分段的叶片。

7.根据权利要求6所述的装置的应用，其中，挤压螺杆的叶片具有一个短节距分段，一个长节距分段。

8.根据权利要求7所述的装置的应用，其中，挤压螺杆的叶片还具有一个端节距终止分段。

9.根据权利要求6所述的装置的应用，其中，在具有长节距叶片的挤压螺杆的每一个分段之前，在挤压螺杆轴与外壳之间设有一个捏和元件。

10.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，外壳具有一个或多个用于形成气体的出口和/或一个或多个用于形成产物的出口。

11.根据权利要求9所述的装置的应用，其中，挤压螺杆具有带交替短节距与长节距分段的叶片，对于具有长节距叶片的挤压螺杆的至少每一个分段，在外壳内设有一个用于形成气体的出口。

12.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，螺杆轴与外壳之间的距离至少同两个连续叶片之间的距离一样。

13.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，螺杆轴与外壳的间距大于两个连续叶片之间的距离。

14.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，螺杆具有一轴，该轴上设有内部零件。

15.根据权利要求14所述的装置的应用，其中，所述内部零件为桨叶和/或杆件。

16.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，外壳制为双层壁。

17.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，外壳和/或挤压螺杆由铸铁制成。

18.根据权利要求17所述的装置的应用，其中，所述铸铁为球墨铸铁。

19.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，外壳长度在1到25米之间。

20.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，外壳长度在8到15米之间。

21.根据权利要求1所述的装置的应用，其中，煤在热解条件下的处理分三段进行，即物料加热段，物料可至少部分塑化的反应段以及可形成一个或多个加工产物的第三段，其中，加工产物在外壳内由物料形成，同时物料及产物在此外壳内被一个反向旋转的互相啮合的双挤压螺杆输送。

22.根据权利要求21所述的装置的应用，其中，在物料及加工产物的输送过程中，挤压螺杆是自行清洗的。

23.根据权利要求21所述的装置的应用，其中，物料及加工产物在输送过程中进行捏和。

24.根据权利要求1或21所述的装置的应用，其中，挤压螺杆以至多每分钟25转的速度旋转。

25.根据权利要求1或21所述的装置的应用，其中，挤压螺杆以每分钟1转的速度旋转。

26.根据权利要求21所述的装置的应用，其中，物料及加工产物加热到300℃至1000℃的最高温度。

27.根据权利要求21所述的装置的应用，其中，物料及加工产物加热到400℃至700℃的温度。

28.根据权利要求21所述的装置的应用，其中，在外壳内物料及加工产物的输送时间在10到60分钟之间。

29.根据权利要求21所述的装置的应用，其中，物料及加工产物在0.5巴到5巴之间的压强下以固/液/气相处理。

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