具体实施方式

在图1至图9中示出了第一示例性微波热解反应器。

反应器的特征在于由透微波且流体密封的材料制成的内管元件2。管元件具有上端5(即第一开口端)和下端6(即第二开口端)，见图9。外管元件3(即微波分配元件)围绕内管元件2布置并与其同心，从而在内管元件和外管元件之间界定第一环形空间7，见图4。反应器的壳体4，更具体地是壳体的第一内表面，包围围绕外管元件的第二环形空间44(见图4)，并且以用于将第二环形空间连接到微波波导的端口13为特征。波导用于从合适的微波源(例如磁控管或固态发生器)传输微波。端口13包括由透微波的材料制成的窗口(未示出)。该窗口允许微波进入壳体，同时防止气体离开第一环形空间7和第二环形空间44。壳体4的特征在于入口10(或废物入口)、固体出口11、气体出口管12和惰性气体入口45(见图4和图5)。壳体的入口10和固体出口布置成分别与内管元件3的上端5和下端6连通。气体出口管12包括第一开口端38(见图6和图8)，该第一开口端布置在壳体4内并且面向内管元件的第一开口端5，使得在热解过程中产生的气体可以逸出/离开反应器。气体出口管12的第一开口端38布置在内管元件2的第一开口端5的水平上方，并且基本上关于内管元件2的中心线C居中，见图8。气体出口管12的第一开口端以此方式布置，在允许气体/挥发物经由气体出口管12排出之前，提供了非常有利的增加和改进的所产生的气体和挥发物与反应器内存在的固体废物之间的相互作用。气体出口管的第一开口端的所公开的布置被认为是最佳的解决方案。然而，如果内管元件的中心线C与气体出口管12的第一开口端相交，则也期望气体/挥发物和固体的相互作用增加。所公开的气体出口布置将上升通过内管元件中的固体废物的气体/挥发物引向内管元件的中心，因此增加挥发物和固体废物之间的期望的相互作用。

通过使气体出口管12的第一开口端位于内管元件的上端5上方的水平处，还可获得另一优点。这种布置允许一定量的非热解废物存在于内管元件的上端和气体出口管的第一开口端之间。该一定量的非热解废物在进入气体出口管之前提供了所产生的气体/挥发物的增加的过滤，并且在进入内管元件以便热解之前提高了非热解废物的微波吸收。

固体废物和气体/挥发物之间的增加和改进的相互作用是有利的，这是由于至少两个原因；其增加了固体的微波吸收，因为固体从气体/挥发物中吸收或过滤掉高沸点挥发物(例如焦油)和颗粒(例如炭)，并且另外提供了更均匀和纯的气体/挥发物馏分。

壳体4的入口10(即废物入口或固体入口)可以是包括进料管15和气体出口管12的组件或壳体段的一部分。进料管15具有第一端16和第二端17，并且入口10布置在进料管的第一端16处。第二端17面向内管元件2的第一开口端5，使得在进料管15和包括第一开口端38的气体出口管12的竖直段之间形成周向空间18。使得入口经由周向空间18与内管元件的上端5连通的特征是非常有利的，因为周向空间可以用作废物缓冲器，确保优化的将废物供给到内管元件。

见图4和图5，惰性气体入口45布置成向第一环形空间和第二环形空间(即，壳体的第一内表面和内管元件之间的环形空间)提供惰性气体(通常为氮气，但是也可以是任何其他合适的惰性气体，例如二氧化碳、氩气、烟气等)。

内管元件2与壳体4的入口10和固体出口11一起作为不与围绕内管元件的环形空间7、44流体连通的流动路径/导管37(见图8)的一部分。

外管元件的壁的特征在于多个以螺旋构造(即螺旋槽布置)布置的槽8(即开口)，见图9。在使用期间，经由端口13进入反应器的微波将经由槽进入内管元件和外管元件之间的第一环形空间7。外管元件的效果是提供了撞击内管元件内的废物的微波的更均匀的分配。这进而提供了对材料的更均匀的加热。

应注意，尽管提供了有利的效果，但是微波分配元件(即内管元件2)对于反应器的功能不是必需的。在不包括这种微波分配元件的反应器的实施方式中，壳体在内管元件与壳体(即壳体的内表面)之间限定了单个环形空间。在下文中，组合的第一环形空间和第二环形空间通常被称为环形空间。

在使用中，微波热解反应器布置成使内管元件在竖直方向上，使得壳体的入口10和内管元件的上端5布置在壳体的固体出口11和内管元件的下端的上方的水平处。这提供了几个优点，包括待热解的废物材料仅通过利用重力而通过反应器的特征。此外，在热解期间，在内管元件的下部/水平中形成的气态和/或挥发性产物(主要是烃气/蒸气)将上升通过内管元件并且与位于内管中的较高水平处的废物材料相互作用，即，气体的较不挥发的成分以及由气流向上引导的炭颗粒将被废物材料吸收/吸收到该废物材料上。气态产物以及炭颗粒通常具有比更靠近壳体入口的废物材料高得多的微波吸收能力，并且所产生的效果因此是所述废物材料中的微波吸收增加。后一种效果是非常有利的，因为其允许废物材料的更有效的热解。这种效果甚至可以提供材料的有效热解，否则需要添加微波吸收剂添加剂，例如炭，以获得有效的热解。除了增加微波吸收之外，气态产物和/或挥发性产物与废物材料之间的相互作用提供了气体在经由气体出口管12离开之前的有效洗涤/过滤。如上所述，气体出口管12的第一开口端38的所公开的布置提供了气体/挥发物与废物材料之间的最佳相互作用。

如上所述，在此具体实施方式中，微波分配元件3的槽8以螺旋构造布置。然而，通过其他槽构造可以获得对微波分配的有用的或合适的均匀化效果。因此，可以想到其中槽由具有各种横截面积(例如圆形、椭圆形和多边形)的开口代替的其他实施方式。一个必要条件是，开口的尺寸构造为允许微波从第二环形空间通向第一环形空间。此外，开口优选地布置成使得开口在外管元件的直径相对侧上不完全重叠。通过避免这种重叠，大部分微波被反射并在内管元件的纵向方向上分配在第一环形空间内。

微波热解反应器包括多个温度传感器42和压力传感器43。传感器本身未示出，并且在附图中，附图标记42/43用于标识用于各个传感器的传感器安装件/端口。传感器监测反应器中的温度条件以及第一环形空间7和第二环形空间44中的压力(即，内管元件与壳体的第一内表面之间的环形空间中的压力)。当用于例如如下所述的废物处理系统中时，各种传感器连接到合适的控制和监测系统(未示出)。

所公开的反应器的外管元件3(即微波分配元件)包括第一热交换系统，用于在使用期间从微波热解反应器内移除热量。第一热交换系统对于功能反应器不是必需的，但是提供了几个有利的效果。热交换系统的特征在于布置在外管元件3的壁内的螺旋形流体通道41(即，流体通道布置在微波分配元件的外表面和内表面之间)。流体通道连接到用于热交换流体的流体入口39和流体出口40。通过使流体通道作为螺旋设计的整体部分，热交换系统的热容量可以增加，而不损坏螺旋狭槽布置，这提供了非常好的微波分配。然而，当用于具有其他合适的槽和/或开口的布置的微波分配元件中时，可以获得相同的优点。当反应器用于壳体的温度不允许超过一定温度极限的环境中时，此特征是非常有利的。此外，具有用于从热解反应器内去除热量的热交换系统提供了进一步的优点，因为来自反应器的过量的热量可以用在各种辅助系统中，例如在水的预热、发电等中。通过使热交换系统布置成与外管元件3导热接触，外管元件用作热交换器的导热元件。也就是说，外管元件以类似于在已知的热传递系统中使用的热传递翅片/挡板/板的方式起作用。另外，外管元件布置成靠近内管元件，在内管元件内产生热量，并且获得最佳的温度差/梯度和热传递。根据期望的热解条件，例如温度，在靠近内管元件的位置处具有用于从微波热解反应器内去除热量的热交换系统的特征可以提供这样的优点，即内管元件和壳体的热膨胀差异被最小化。这些差异可另外导致内管元件上的材料应力、内管元件和其与壳体的连接之间的泄漏等。见下面的示例性反应器中的解决方案，该解决方案使由热膨胀导致的潜在问题最小化。

反应器包括第二热交换系统，以进一步增加热解过程中的能量回收，以及获得壳体4的外部温度的进一步降低。第二热交换系统布置在围绕环形空间7、44的壳体段中。该壳体段是双壁的，以提供内部环形空间50。环形空间50连接到用于冷却流体的入口51和出口52，使得冷却流体(例如水)可以循环通过环形空间。

在图10至图12中示出了第二示例性微波热解反应器。在通过参考图1至图9对上述反应器进行测试期间，发现内管元件在壳体内夹紧/紧固需要非常精确地施加力以避免内管元件2的过早劣化，同时确保流体密封连接，而不管反应器壳体的潜在热膨胀/收缩。这种要求不是理想的，因为当夹紧/紧固内管元件时的小误差可能导致内管元件的缩短的操作寿命和更短的维修间隔。内管元件的过早劣化可以由不均匀施加的压缩力、过度的压缩力、由于由热解过程的高温导致的内管元件的纵向膨胀而引起的压缩力的增加和/或这些因素的组合而导致。

为了增加内管元件的操作寿命，图10至图12中所示的第二示例性微波热解反应器提供了用于将内管元件夹紧在壳体内的解决方案，这避免了上述因素中的至少一些。该反应器与图1至图9中的反应器类似，并且相似或相同的特征由相同的附图标记标识。

考虑到图1至图9中的反应器，图10中的反应器的主要区别特征在于存在弹性组件，该弹性组件包括布置在内管元件2的第一开口端5处的金属波纹管54(即弹簧元件)。内管元件的特征在于分别布置在第一开口端5和第二开口端6处的扩口部分60、61。每个扩口部分的特征在于布置在垂直于内管元件的中心线的平面中的环形表面58、59。经由环形表面58、59，内管元件2在金属波纹管54(见图11)和布置在内管元件2的第二开口端6处的肩部63之间夹紧在壳体内。

金属波纹管54可在平行于内管元件的中心线C的方向上压缩，并且具有第一端55、第二端56和中心贯穿通道68，该中心贯穿通道具有与内管元件的中心线C成一直线的中心线。通过经由金属波纹管(即弹性组件)夹紧内管元件，更容易获得施加到管的环形壁的压缩力/夹紧力的均匀分布。此外，在使用期间发生的内管元件的纵向热膨胀被金属波纹管吸收，由膨胀引起的压缩力/夹紧力的增加被减轻，并且管元件的潜在劣化被最小化。还应注意，使用弹性组件来夹紧内管元件在防止从导管/流动路径37泄漏方面是有利的，因为弹性夹紧确保了内管元件和金属波纹管的环形表面与肩部之间的最佳接触。各种密封环69、70、71用于确保内管元件2、金属波纹管54和壳体之间的流体密封连接。与金属波纹管接触的密封环69、70可以是不同的密封环，或者可选地形成金属波纹管的整体部分。

为了防止固体和焦油积聚在金属波纹管的内表面上，反应器(或弹性组件)具有布置在金属波纹管的内表面与流动路径/导管37之间的保护套筒62。保护套筒安装于布置在内管元件的第一开口端5处的套环56的凹部67中，并且以夹紧在金属波纹管的第一端55与凸缘元件64之间的凸缘部分65为特征。优选地，保护套筒62由弹性材料制成，使得套筒不会对内管元件的第一开口端5贡献显著的压缩力。

金属波纹管54通过螺栓连接的凸缘元件64朝向内管元件2的环形表面58布置。在此实施方式中，凸缘元件64是进料管15的下部。

在图13中示出了第三示例性微波热解反应器。该反应器包括相同的弹性组件，该弹性组件的特征在于如上所述的金属波纹管54、以及连接到壳体的内表面和内管元件2之间的环形空间的惰性气体入口(未示出)。考虑到第二示例性反应器，图13中的反应器的区别特征在于，去除了单独的气体出口12、外管元件3和第二热交换系统。第三示例性反应器的气体出口12和固体出口11是布置在内管道元件2下游的共用的气体出口12和固体出口11。

在所公开的实施方式中，弹性组件的特征在于单个金属波纹管，以提供内管元件的所需弹性夹紧。在此具体实施方式中，通过转动钢管以获得所需的波纹管形状来获得金属波纹管。适合于本发明的金属波纹管也可以通过任何合适的方法来获得，例如焊接和液压成形，并且可从许多来源(例如Comvac AG和Kompaflex AG)商购获得。使用金属波纹管的优点在于，其提供了具有一体的流体密封环形壁或表面的弹簧元件，从而提供了防止从导管/流动路径37泄漏/泄漏到导管/流动路径37中的增强的保险。然而，基于本公开，本领域技术人员将容易想到用于以流体密封环形壁为特征的合适的弹性组件的其他解决方案。替代组件可以例如包括以流体密封的可压缩套筒为特征的多个环形布置的弹簧元件(或单个环形弹簧)、布置在可压缩圆柱形流体密封壳体中的多个弹簧元件(或单个环形弹簧)等。

在所公开的实施方式中，由于用于废物入口10和气体出口12的特定解决方案和/或通过重力将废物输送通过内管元件的能力，示例性热解反应器的内管元件2布置在竖直方向上。然而，用于通过使用弹性组件夹紧内管元件的本发明的解决方案也适用于微波热解反应器的另外的实施方式，而与内管元件是竖直的、水平的还是倾斜的无关，只要废物入口和气体/固体出口布置成使得可以将废物引入到内管元件中并且气体/固体出口布置成使得允许在热解过程中产生的气体/固体离开内管元件。在水平内管元件的情况下，废物可以例如通过任何合适的输送系统(例如螺杆)被输送通过内管元件。用于将废物输送通过微波热解反应器的各种合适的解决方案在本领域中是公知的。

在图13中示出了示例性废物处理系统(或者废物处置或加工系统)的主要单元/元件，其特征在于与上述微波热解反应器类似的微波热解反应器1。图13中的反应器1与图1至图12中所示的反应器的不同之处在于壳体4和外管元件3不以热交换系统为特征。

除了微波热解反应器1之外，该系统还包括废物容器19、废物入口腔室20、固体传送器21和固体出口腔室22。废物容器包括废物出口33，并且具有螺旋传送器23(未示出螺杆，仅有与螺杆连接的电机)，该螺旋传送器布置成向废物入口腔室的入口24提供废物材料。废物入口腔室包括上部阀25(即入口阀)和下部阀26(即出口阀)。上部阀和下部阀都是闸阀，但是也可以使用其他合适类型的阀。在热解过程期间，内管元件的内部体积保持在低于环境压力，见下文描述。阀能够隔离废物入口腔室，使得在供给废物材料期间防止空气/氧气被吸入到反应器中(即，被吸入到内管元件2中)。在此特定实施方式中，在废物材料进入微波热解反应器1之前，可以通过使用氮气(即惰性气体)从废物材料中吹扫氧气。氮气经由气体入口27供应并经由气体出口28释放。然而，尽管氮气吹扫可能是有利的，但是这不是必需的，因为存在于隔离的废物入口腔室中的氧气量少。固体传送器21连接到微波热解反应器的固体出口，并且包括封闭的内部螺旋传送器34(未示出)。螺旋传送器34布置成将离开微波热解反应器的固体输送到固体出口腔室22。也可以使用其他用于在固体传送器中输送固体的装置，例如皮带。

固体传送器的尺寸构造为(即具有长度和/或周长)使得离开微波热解反应器的固体在其到达固体出口腔室之前被允许充分冷却。可以设想，固体传送器可以包括用于改善离开固体出口10的固体的冷却的热交换系统。除了改善固体的冷却之外，这种热交换系统还可以例如用于利用各种辅助系统中的热量，例如水的预热。

固体传送器包括温度探针，以在从固体出口11向固体出口腔室22输送期间监测固体的温度，固体出口腔室22包括上部阀29(即入口阀)和下部阀30(即出口阀)。阀能够隔离固体出口腔室，使得防止氧气或空气被吸入到固体传送器(并因此吸入到微波热解反应器的内管元件)中。与废物入口腔室类似，固体出口腔室中的任何氧气可以通过使用氮气经由气体入口31和气体出口32(未示出)来吹扫，但是这不是必需的。固体出口腔室的固体出口35通常连接到固体容器36(未示出)，用于暂时储存固体。

在其他实施方式中，入口腔室20和出口腔室22可以布置在其他位置，例如使出口腔室布置在固体传送器上游，入口腔室布置在废物容器上游等，只要入口腔室和出口腔室能够防止在包括供给废物材料和排空固体的步骤的整个热解过程期间将氧气或空气吸入到内管元件2和流动路径/导管37中。尽管认为提供了用于提供可隔离/气密入口/出口组件的最有效和耐用的解决方案，但是所述入口/出口腔室可以替代地由能够将废物材料供应到反应器中(或将固体供应到反应器外)而不允许空气由于内管道元件中的低于环境压力而被吸入的任何合适的入口/出口组件代替。在例如CN103923673A和WO 2013/077748A1中公开了这种替代组件，并且将其通过引用结合于此。

微波热解反应器的气体出口管12(或气体出口管12的第二开口端53)连接到气体处理系统47，用于处理和/或储存在反应器中形成的气态/挥发性产物。气体处理系统包括至少一个抽吸装置48(即气体风扇/压缩机/泵)。抽吸装置48在气体出口管12的第一开口端38处提供低于环境压力。因此，内管元件的大部分或全部内部容积、以及与内管元件直接流体连通的反应器的内部容积，在使用期间也保持在低于环境压力。该低于环境压力提供了气态产物从微波热解反应器的高效输送，以及由于气体出口管12的第一开口端38的定位而确保了气态产物通过废物材料的最佳流动模式，如上所述。第一开口端38处的压力可以例如保持在低于环境压力大约5-15毫巴。应注意，在一些情况下，由于所形成的气态产物和这些产物遇到气体出口管12的第一开口端38的增加的流动阻力，内管元件的最下部分中的压力可以达到高于环境压力。然而，这将不会对反应器和系统的下面讨论的优点产生影响。

由抽吸装置48提供的低于环境压力确保了内管元件2或将内管的内部容积与其周围环境(即环形空间7、44)分开的任何密封元件的机械/结构完整性的损失可通过使用压力传感器43监测环形空间内的压力而容易地检测。机械/结构完整性的损失可例如是由于内管元件中的裂纹或错误密封。压力传感器43与控制系统通信，使得在任何进一步的损坏可发生之前关闭废物处理系统。有效地检测机械完整性的损失和停止热解过程的能力是重要的，因为吸入到反应器中的空气/氧气可导致与气态产物的爆炸性反应。

为了消除在失去机械/结构完整性期间空气/氧气与气态产物混合的任何剩余风险，环形空间经由惰性气体入口45填充有来自惰性气体源46的惰性气体。环形空间中的惰性气体(通常为氮气，但是可以使用任何合适类型的惰性气体)保持在最小环境压力(或以上)，该压力由压力传感器43监测。惰性气体的压力可以例如保持在高于环境压力大约5-15mbar。环形空间中和气体出口管12的第一开口端38处的压力的ΔP例如可以在10-30mbar的范围内。如果如上所述失去机械完整性，则只有惰性气体将被吸入到内管元件或流动路径/导管37中。惰性气体源46将向环形空间提供惰性气体，直到热解过程安全地停止为止。

除了抽吸装置48之外，气体处理系统47可以包括用于将至少一部分气态产物冷凝/分离成冷凝物和气体的任何合适的装置或系统、用于气体和冷凝物的储存系统、用于产生热量和/或电力的系统，例如气体驱动的发电机或油炉。在一个实施方式中，惰性气体源46可以连接到用于产生热量和/或电力的系统中的一个，使得烟气可以用作惰性气体。

在使用中，首先将废物提供给废物容器19。该废物容器例如可以连接到粉碎机、造粒机和/或废物储存料斗，或者构成粉碎机、造粒机和/或废物储存料斗的一部分，以便提供适合于引入反应器的形式的废物材料。在进料顺序中，废物材料，优选地为颗粒状废物材料，被输送到废物容器的出口33，废物入口腔室的上部阀25打开，并且将废物材料引入到废物入口腔室中。在引入之后，关闭上部阀25，并且可选地通过氮气(或任何合适的惰性气体)经由气体入口27和气体出口28吹扫废物入口腔室20。随后，打开下部阀26，并且允许废物材料由于重力而经由上部入口10进入微波热解反应器。关闭下部阀26，并且通过使用来自微波波导14(示意性地示出)的微波来热解废物材料，该微波波导将微波源连接到端口13。

布置在反应器中的液位传感器(未示出)检测何时达到废物材料的适当低的液位，并且重复上述进料顺序以向反应器提供新批次的废物材料。最初，内管元件2中的废物材料在整个内管元件中处于相同的热解水平，然而，在重复批次的引入材料的一定时间之后，最靠近固体出口11的材料被完全热解，即主要为炭，而最靠近入口10的材料不是这样。

在通过端口13进入微波热解反应器时，微波经由狭槽8进入环形空间7和内管元件，并且分配在内管元件2内。在热解期间，废物材料主要转变成固体和气态/挥发性材料，其中，固体主要由炭组成，而气态材料主要由烃气/蒸气组成。通常，热解在300-600℃的温度范围内进行。允许烃气/蒸气经由气体出口管12离开反应器。当废物材料的至少下部(即最靠近反应器的固体出口11的部分)的热解完成时，固体传送器21将固体移向固体出口腔室22。具有在垂直方向上布置的内管元件的优点是，在该过程中产生的任何烃气/蒸气将通过废物材料，该废物材料在气体产生的位置和气体出口管12的第一开口端38之间。

当固体出口腔室22充满时，关闭上部阀29，并且打开下部阀，使得固体可离开固体出口腔室。在固体离开之后，关闭下部阀30，固体出口腔室可选地吹扫氧气，并且上部阀29打开以接收新批次的固体。通常，固体出口腔室连接到固体容器，用于固体的中间储存。

废物入口腔室和固体出口腔室都可以可选地包括用于将气体/空气排出腔室的装置，例如连接到抽吸装置的气体阀。通过将氮气吹扫与腔室的预先排空组合，可以减少所需的氮气量。在进一步的实施方式中，废物入口腔室和/或固体出口腔室不包括任何用于吹扫或排空空气的特征，因为能够经由入口/出口腔室进入反应器的氧气量不足以导致任何不利影响。

在一个替代实施方式中，废物处理系统包括如图1至图9或图10至图12中公开的反应器1，并且反应器1的第一热交换系统和第二热交换系统连接到任何合适的辅助系统以利用从热解过程回收的热量。回收的热量可以例如用于水的预热、发电、废物材料的预干燥等。除了第一热交换系统和第二热交换系统之外，这种实施方式还可以包括如上所述连接到固体传送器21的第三热交换系统。

在又一实施方式中，废物处理系统可以包括如图13中公开的反应器1。在这种实施方式中，气体处理系统47可以例如连接到固体传送器21中的气体出口。

用于内管元件1的合适的透微波材料包括玻璃材料，例如硼硅酸盐或石英，以及具有低介电损耗的各种陶瓷，例如氮化硼基陶瓷。

使用微波加热待热解材料使得所述材料优选地应具有某些固有特性，即，具有电偶极子和吸收波长λ为12cm至32cm的微波的高能力。在许多情况下，废物材料将是高度异质的，并且不是所有的废物材料都将具有有效微波加热所需的特性。在后一种情况下，尽管具有如上所述的竖直内管元件的有利效果，但是在引入微波热解反应器之前将废物材料与辅助材料混合可以是需要的或有利的。这种辅助材料可以是例如在微波热解反应器中预先产生的炭。然而，即使需要这种辅助材料，竖直内管元件及其有利效果也将使这种材料的量最小化。

所公开的微波热解反应器主要通过其在废物材料的处理中的用途来描述，其中，所获得的产物，例如炭、油和焦油，不是热解过程的主要目标。然而，所获得的产物以及在该过程中产生的热能是有价值的，并且设想该反应器和废物处理系统可以用于其中所获得产物和/或所产生热能是主要目标的过程中。这种过程可以是例如通过木基原材料的热解生产生物燃料、产生能量等。因此，术语废物处理系统也旨在涵盖诸如生物燃料和发电厂的系统。