微波和射频材料处理的制作方法

专利名称：微波和射频材料处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于材料的微波和射频(RF)处理的设备和系统。
背景技术：
微波是处于电磁谱中具有在300MHz和300GHz之间频率的区段中的电磁波。这包括通常称为特高频(UHF)、超高频(SHF)和极高频(EHF)的波带。一直认为，可以有用地将微波与射频(RF)谱的甚高频(VHF)带(30-300MHZ) —起使用以处理各种材料。不希望受理论的束缚，所理解的是，微波和/或VHF(RF)波是基于材料的介电特性而被材料吸收的。 某些材料可以反射、透过或缓慢地吸收微波和/或RF能量。由于每种具体分子在材料本体中的介电性质不同，某些分子以较大速率吸收微波能量并因此具有比周围的材料高得多的温度。这使得化学和物理反应能够在比在常规火法冶金处理中本来要求的本体温度更低的本体温度下发生。
已经做出了尝试用如微波分批涂布器、流化床和旋转窑以微波来处理材料(如矿物)。然而，所有这些先前的尝试已经遇到了多种问题，这表明用于处理材料(如矿物)的微波方法尚未得到商业上的接纳。一个具体的问题是等离子体的形成和控制。等离子体是被电离的气体颗粒，它的强度随着温度和/或微波功率密度的增加而增大。等离子体提供了局部的极高温区域并且已经发现其造成了对发生器磁控管的损伤、灼烧微波窗口并使其产生裂痕、并且此外还吸收了优先到达有待处理的材料的能量。发明内容
根据本发明的一个实施方案，提供了一种用于处理材料的设备，该设备包括
一个用于在处理过程中容纳所述材料的隔室，所述隔室具有至少一个壁、一个用于接收有待处理的材料的入口、以及一个使材料在处理后退出该隔室的出口 ；以及
一个辐射源，用于将电磁辐射穿透该隔室壁的一部分发射到该隔室中，该隔室壁的该部分是至少部分地对该辐射是透明的，该辐射为微波或射频(RF)电磁辐射(或两者)；
其中该设备被配置为用于将该隔室中的材料的至少一部分放置成与该隔室壁的、 该辐射进入该隔室中时所穿透的这个至少部分透明的部分相接触。
根据本发明的另一个实施方案，提供了一种用于处理材料的设备，该设备包括
一个用于在处理过程中容纳所述材料的隔室，所述隔室具有至少一个壁、一个用于接收有待处理的材料的入口、以及一个使材料在处理后退出该隔室的出口 ；以及
一个传输组件，用于将微波或RF电磁辐射(或两者)传输到该隔室壁附近的一个内部区域，
其中该设备被配置成使得在工作期间在该内部区域中的该材料的至少一部分与该隔室壁相接触并且由此提供一种非气态介质，该辐射在进入该内部区域时穿过该介质行进。
贯穿本说明书，所提及的微波电磁辐射应理解为是指具有在300MHz和300GHz之间频率的电磁辐射。
贯穿本说明书，所提及的射频电磁辐射应理解为是指具有在30MHz和300MHz之间频率的电磁辐射。
该辐射源可以是连接到一个辐射发生器上的一个波导的出口。在另一个实施方案中，该辐射源可以是在一个辐射发生器与该隔室壁之间的一个空间。
该辐射源可以包括一个传输组件以用于将电磁辐射传输到该隔室中。
该设备还可以包括至少一个福射发生器,用于产生微波和/或RF电磁福射,该传输组件被配置为将由每个发生器产生的辐射传输到该隔室。
该传输组件可以包括波导。
该波导可以具有与该隔室壁相邻的一个出口。
该隔室可以具有单一的圆柱形壁。
该隔室在工作中可以是固定的。
在另一个安排中，该隔室或该隔室的一部分可以被配置为进行旋转，优选是围绕一条中心纵轴线。
当隔室(或其一部分)被配置为进行旋转时，辐射源是固定的。
该设备可以包括围绕该隔室的一个壳体。
该壳体可以在该隔室与该传输组件出口之间延伸，但优选地该传输组件延伸穿过该壳体。
该壳体在该设备的工作过程中可以是固定的，而该隔室(或其一部分)可以被配置为在该壳体之内旋转。
该设备还可以包括这样一种机构，该机构用于当材料在该入口和出口之间行进时使材料以相对于从辐射源进入隔室中的电磁辐射的方向而言一条螺旋的流动路径行进。
这种螺旋化机构可以包括位于该隔室内部的旋转螺杆。
该旋转螺杆的轴线可以是与该隔室的纵向轴线共轴的。
该螺杆的刮板(flight)可以在该隔室的多个纵向内表面之间延伸。
该隔室可以被配置为基本上水平地延伸。
该隔室可以被配置为基本上竖直地延伸。
该设备可以被配置成使得材料在隔室中的工作高度是在该电磁辐射进入时所穿过的该隔室壁的这个部分上方。
隔室的入口和出口可以限定穿过隔室的材料流动的大致方向，包括经过了在电磁辐射进入时所穿透的该隔室壁的这个部分，这个大致流动方向典型地对应于隔室的纵向。 该设备可以被配置成使得电磁辐射横向于(可以是约90° )这个大致流动方向而进入该隔室。
该设备可以包括一个气体出口，用于使气体退出隔室。
该气体出口优选地被定位在材料工作高度的上方。
该波导可以拆分成多个波导路径。在这个实施方案中，该波导出口也拆分成多个波导路径出口。
该设备可以具有TE 10主模式设计。
该波导可以是TE 10模波导。
该隔室可以是基本上与该波导宽度相同的，优选使得隔室为TElO主模。
该传输组件可以包括相对于该首先提及的波导而言交叉耦合到该隔室的上一个第二波导。
该传输组件可以包括一个波导窗口，用于保护辐射发生器免受等离子体影响。
该传输组件可以包括一个波导窗口护罩，该护罩被配置为在该窗口的表面上吹上一层气体。
该传输组件可以包括一个等离子体熄灭系统，用于熄灭波导窗口附近的等离子体。
该等离子体熄灭系统可以包括一个或多个气体入口，该气体入口被配置为将气体吹入波导中以熄灭任何等离子体。
该设备可以包括多个温度传感器，这些温度传感器沿该隔室的长度定位。
该设备可以包括能够感测在隔室的一个内部部分中的温度的一个第一温度传感器、以及能够感测在隔室壁的内表面附近的温度的一个第二温度传感器。
第一温度传感器优选地定位在该隔室的内部部分中。
每个温度传感器、尤其是第一温度传感器，可以配备有一个对微波或RF电磁辐射具有反射性的护套，该护套可以是接地的。
该设备还可以包括一个刮刀，用于将材料从隔室壁的内表面上刮掉。
该刮刀包括一个抵靠在隔室壁的内表面上的杆。
该刮刀可以基本上延伸该隔室的长度。
本发明的实施方案还提供了一种用于材料处理的系统，该系统包括至少两个如以上任一实施方案中所述的材料处理设备。
根据本发明的另一个实施方案，提供了一种用于处理材料的方法，该方法包括
将有待处理的材料穿过一个隔室的入口接收到该隔室中，该隔室具有至少一个
从一个辐射源将电磁辐射穿透该隔室壁的一部分发射到该隔室中，该隔室壁的这个部分是至少部分地对该辐射是透明的，该辐射为微波或射频(RF)电磁辐射(或两者)；
在辐射进入该隔室中之前，将有待处理的材料的至少一部分与该辐射进入隔室中时所穿透的该隔室壁部分相接触；并且
通过该隔室的一个出口来输出该经处理的材料。


现在将仅以举例方式参照附图来说明本发明的实施方案，其中
图I是用于材料的连续微波和/或RF波处理的、根据本发明实施方案的一个系统的框图2是用于材料的连续微波和/或RF波处理的、串联连接的第一和第二设备的示意图，该第一和第二设备为本发明的不同实施方案；
图3是图2的第一设备的示意图4是图2的第二设备的示意图5是图2的第二设备的一个变体的示意图；图6是图2的第二设备的另一个变体的示意图；图7是图4的第二设备的俯视图；图8是该第一或第二设备中使用的微波扼流圈的示意图；并且图9是在该第一或第二设备中使用的、具有等离子体熄灭系统的波导窗口的示意 图。
具体实施例方式首先参考图3，示出了用于材料的连续微波和/或射频(RF)波处理的、根据本发明 一个实施方案的第一设备10。设备10包括处于一个圆柱形管13或者连接到一起形成单个 管的多个圆柱形管的形式的一个隔室3。该隔室在材料被处理时容纳该材料并且是由一个 圆柱形壁限定的。设备10还有一个围绕隔室3的壳体，该壳体处于圆柱形外壳12的形式。 外壳12是由反射微波和RF波的导电材料形成的，以便限制电磁辐射从设备10中的泄漏。 形成该外壳12的典型材料是金属，优选是不锈钢，这是由于其温度和化学惰性特征。内管 13是由一种对微波和RF波透明或半透明的、优选是隔热的并且具有高温耐受性和高热冲 击耐受性的材料形成的。典型地，内管13是由氧化铝、莫来石、石英、塞隆陶瓷(sialon)、氮 化硼或任何其他微波透明的、具有在O. 005ff/m-K到300W/m-K范围内的热导率的陶瓷形成 的。通过借助构造该隔热内管13而将隔室3的壁隔热，将设备之内的对流和/或辐射 热或处理热保持在最低。这意味着设备10中的内部气体被保持在最低温度。这有助于使 等离子体的形成最小化以及降低所形成的等离子体的强度。该隔室在一端具有入口 23，通过该入口而从料斗(图I中的物品I)连续地将材料 供应到隔室中。定位在入口料斗23上的伽马水平传感器24a和/或水平指示器24b进行监 测并提供料斗内正确的材料高度水平。传感器24a、b连接到一个可编程逻辑控制器(PLC) 上以便自动地控制从料斗I经由传送器2到达隔室入口 23的材料的流量和体积。额外的 传感器25被配置在入口 23的附近以检测入口 23附近的微波或RF辐射，从而监测电磁辐 射通过入口 23的泄漏。隔室3还具有一个处理后材料的出口 29，该出口被定位在该隔室 的、与入口 23相反的末端处用于使处理后的材料退出该隔室。材料穿过隔室3的大致流动 方向因此被限定为从入口 23到出口 29。气体出口 30被设置在该隔室的、与处理后材料的 出口 29相同的(但是在该材料出口 29上方竖直地间隔开)末端处用于使气体退出隔室3。 这些气体可以包括在材料的处理过程中产生的气体和/或经由入口 23引入到隔室3中的 过程气体。取决于应用，这些过程气体可以是空气、惰性气体、还原剂、用于氧化、用于化学 反应、作为冲刷气体或用以使所处理的材料半流化。可以通过适当的机构来收集这些气体 并在其他地方进行处理，以回收有用的产物和/或安全地进行处置。设备10还包括至少一个微波和/或RF辐射发生器5 (在图I中示出)，它产生的 电磁辐射经由一个传输组件(结合有波导26)穿透该隔室壁的一部分被发射到隔室3中。 当材料在处理过程中在隔室的入口和出口之间移动时，材料穿过该隔室的内部区域。设备 10被配置为使得该材料的至少一部分被放置成与隔室壁相接触。因此，当电磁辐射进入隔 室时，它进入材料中，也就是它穿过一种非气态介质。这种配置降低了等离子体的形成和强度、并且改进了设备的工作效率，因为辐射被吸收到所处理的材料中。
辐射发生器5可以是恒波(CW)磁控管、脉冲磁控管、栅极功率管、速调管、速调极 (klystrode)、交叉场放大器、行波管、回旋管以及RF发生器。
波导26优选为标准的TElO模矩形波导，具有邻近由内管13限定的该隔室壁的一个部分的一个出口，使得电磁辐射通过这个部分进入该隔室。
该波导出口可以是用于高频的带角的出口。该波导出口还可以由开槽的波导组成，该波导被构造为平行于外壳12，其中电磁辐射从该开槽的波导的每个槽被发射到该隔室中。隔室3的直径被设计为适合于具体的频率、穿透深度和该处理材料的介电特性，这样使得电磁辐射的最大量是由处理材料吸收的、并且电磁辐射的最小量达到所处理的材料上方的气体空间。
该波导可以是单一的波导或者优选地该波导拆分成多个波导路径26a、26b、26c 和26d。波导路径26a、26b、26c和26d各自具有一个邻近该隔室内管13的出口 27，该出口将电磁辐射传输到隔室的一个内部区域中。这些波导路径延伸穿过隔室3的金属外壳12的多个部分。从波导出口 27出发，微波和/或RF波可以容易地穿过微波透明内管13的多个部分而进入该隔室。波导路径26a、26b、26c和26d是沿隔室3的底部设置的。波导26因此被配置为横向于材料从入口到出口通过隔室的大致流动方向来将电磁辐射发射到隔室中。 这种配置使得电磁辐射能够在进入隔室中时穿过非气态介质。此外，这意味着微波和/或 RF电磁辐射被导向该隔室中相对于其容积而言较大的材料表面积。这使得被直接吸收到所处理的材料中的能量最大化，而不是使隔室3中的内部气体电离。其结果是，进一步使等离子体的形成最小化。
通过将波导拆分成多个波导路径，可以使用单一的辐射发生器来提供不同的功率密度以匹配在沿该隔室的多个具体位置处被处理的材料的功率要求。为了这样做，这些波导路径被设计为具有不同的高度、但是优选地该高度是小于波长的一半以便使不希望的模的形成最小化(但是具有同样的宽度以便不影响波导的TElO模)。具有更大高度的波导路径降低了被传输到材料的电磁辐射的功率密度。
已知材料的介电特性随着温度升高由于材料的相变而发生改变，尤其是在转变温度附近。这可能导致在运行这些用于微波处理材料的设备和系统过程中的一种已知的困难“热失控”。热失控是温度的不受控的升高并且在材料的转变温度处尤其成问题。通过设计这些波导路径以沿隔室(在其中正在处理材料)的长度提供不同功率密度的电磁辐射，可以通过提供适当的能量输入以供养和维持沿隔室长度上的温度梯度的逐渐增高而更好地避免热失控。此外，当所处理的材料经受一种或多种化学反应时，虽然这些化学反应是放热或吸热性质的，但使用拆分的波导使得能够在沿隔室长度的特定位置处提供适当的功率密度。
多个温度传感器28沿隔室3的长度被设置并且设置在这些波导出口 27之间以便能够监测跨过隔室3的温度梯度。因此来自这些温度传感器28的信息可以被用于调节波导路径的高度并且因此调节在沿该隔室长度的特定位置处提供的微波和/或RF波的功率密度。
在一个替代性的安排中，该设备包括多个辐射发生器。一个单一的波导、优选一个标准矩形波导被拆分成多个波导路径，或者可以使用多个分离的波导来从该多个辐射发生器向该隔室中传输电磁辐射。在这种安排中，在沿该隔室长度的多个特定位置处提供的电磁辐射的功率密度可以通过改变一个或多个辐射发生器的功率输出而变化。
被处理的材料相对于电磁辐射被发射到该隔室中时的方向沿一条螺旋的流动路径连续地从入口 23到出口 29移动通过隔室3 (包括通过该内部区域)并且与该隔室相接触(将在下文详细说明)。该螺旋的流动路径是由一个位于隔室3中的处于螺杆传送器14 形式的螺旋化机构产生的。螺杆传送器14包括一个中心轴16a，该中心轴带有一个螺杆， 该螺杆由多个安装到该轴上的刮板15组成。该螺杆传送器的中心轴16a在一条与其平行的轴线上延伸通过该隔室3的中心。该螺杆的刮板15在形成该隔室3的内管13的顶部和底部之间延伸。螺杆传送器14可以被构造为带有薄的金属刮板，但是优选地，为了使在隔室3之内反射的微波和/或RF波最小化，该螺杆传送器是由对微波和RF波透明或半透明的材料构造的。螺杆传送器14还优选地由具有高温耐受性和高热冲击耐受性的材料形成。 典型的材料可以是陶瓷，如氧化铝。该螺杆传送器的轴16a是空气冷却的，这样使得轴的热膨胀不大于陶瓷螺杆的热膨胀。轴16a被支撑在耐高温的轴承20上并且经由一个驱动齿轮22进行驱动。螺杆传送器14通过一个键16b (或其他机械装置)被固定到轴16a上。
随着螺杆14的旋转，材料堆积在前导刮板的前面并且被推动穿过隔室3。在刮板表面旁边的堆积物中的颗 粒沿刮板表面向上被带起一段距离然后沿该堆积物的前移侧向下流动，从而充分混合该材料并且提供向隔室3(即内管13)的内表面的最大程度的暴露。 刮板15的曲率和间距被设计成对所处理的材料提供最大的翻滚作用。这种设计的目的是使得该设备在工作期间能够在刮板之间具有基本上均匀的材料深度。螺杆传送器14的设计提供了该材料的螺旋流动路径，这导致了总体上均匀的微波和/或RF吸收。这意味着， 该处理操作是更高效的并且形成非常高温的局部区域或“热点”的概率更低。其优点是使得等离子体的形成最小化，并且降低这些隔室壁被这些“热点”损坏的概率。
应注意的是，隔室3因此还有内部的螺杆传送器14可能是水平的或与水平方向成一个角度，这取决于所处理材料的稠度和流量。
隔室3在每个末端处是在物理上、热学上以及电磁上被密封的。隔室3是物理上被密封的，以将空气保持在外和/或将任何处理气体保持在内；它是热学上被密封的，以防止热量到达轴承和气体密封件；并且它是电磁上被密封的，以获得安全性，防止微波和/或 RF波从隔室中泄漏。隔热板21 (是对微波和RF透明的)被装配到隔室3的每个末端。微波扼流圈17a、17b被定位在隔室3的各末端、并且被装配在螺杆传送器14的轴16a的周围，该轴延伸通过该隔热板21。微波扼流圈17a、17b是按照在该设备中使用的电磁辐射的具体频率(或多个频率)来设计的。由半传导材料如碳化硅形成的端冒18被放置在扼流圈17a、17b上以吸收任何绕过该扼流圈的杂散的电磁辐射。在该设备中使用的是可变频率微波的替代性实施方案中，该设备不包括扼流圈而是包括黄铜或碳刷，从而将轴16a接地至外壳12上。能够承受高温的多个气体密封件19被安装在轴16a上以将隔室3密封而免于任何气体泄漏。
第一设备10的设计是使得所处理的材料持续地移向与隔室3的内表面相接触，确切地说是与内管13的内表面相接触，并且移向该进入隔室中的电磁辐射来源。这意味着第一设备10尤其适合于用高频微波进行的处理，如24. 124GHz,5. 8GHz和2. 45GHz。如果螺杆传送器的直径大于300mm，那么优选的是915MHz、460MHz或RF频率。微波和/或RF波的穿透深度取决于所处理的材料、材料的温度和电磁频率而变。该设备的设计(包括工作电磁频率)必须将所有这些因素纳入考虑中。先前提及的高频微波原先一直具有有限的商业应用，这是因为它们向所处理材料中穿透的深度小(微波频率越高，穿透深度越小)。有利的是，第一设备可以用这些高频微波进行处理，因为某些电绝缘材料在环境温度(室温)和低频下不能良好地耦合或加热、但在高温或高频下发生耦合和加热。例如纯氧化铝在环境温度下对915MHz或2. 45GHz微波是透明的，但在室温下在24到30GHz发生耦合。
当材料在微波场中不良好地耦合或加热时就出现高穿透深度。然而，耦合通常随温度增大，这造成穿透深度的降低。为了克服在穿透上的损失，该设备还可以用双频或多频工作。这涉及随着隔室中材料的温度提高而改变到一个具有较大穿透深度的较低频率。例如，随着温度梯度的升高，中等频率如2. 45GHz开始耦合，随后低频如915MHz在高温下耦口 ο
发生器可以将微波或RF波连续地或者作为脉冲来供应到隔室中所处理的材料上。第一设备10是特别适合于在所处理的材料持续的移入电磁场中时用高功率密度的脉冲微波来处理材料。高功率的脉冲微波可以用于使颗粒材料如矿石和玻璃化材料微开裂。
现在参考图4和5，示出了用于材料的连续微波和/或射频(RF)波处理的、根据本发明实施方案的第二设备11。第二设备11具有许多与第一设备10相似的特征，包括一个拆分波导47和由圆柱形壁限定的并且该隔热的一个圆柱形隔室4。然而，在第二和第一设备之间值得注意的区别是，第二设备4的隔室4在竖直方向被配置为在其顶部具有一个入口 50，通过该入口，材料被连续地供应到该隔室；并且在其底部具有一个出口 60，用于使处理后的材料退出该隔室。因此，材料在重力下沿着在该入口和出口之间的大致流动方向移动通过隔室4。
供应到入口 50的材料被连接到一个位于入口 50附近的机械水平指示器52和/或伽马水平指示器53上的一个可编程逻辑控制器(PLC)所控制。一个热电偶69也被定位在隔室4之内并且向上延伸至该处理管35的中心以便监测管的中心处的内部处理温度。一个热电偶70也定位在隔室4内部以便监测隔室的内表面附近的处理材料的端部温度。这些热电偶有金属护套并且接地至隔室4上。从该金属的热电偶护套反射的功率被周围的处理材料吸收并且不反射回到波导中。
这种热电偶配置有利地使得能够在隔室的中心和边缘处监测该处理管的温度。在最优的工作条件下，跨过隔室中的材料的温度分布应当是基本上均匀的。通过监测在材料中心与边缘之间的温度梯度，可以调节该设备11的工作参数以便抵消跨过该材料的温度分布。在某些情况下，这可能要求用具有不同内径的管来替代内管35。例如，如果隔室中的材料中心处的温度远低于隔室的内表面附近的材料温度，那么这可能表明在所给定了所处理的具体材料的穿透深度时管的内径是过大的，并且应当使用更窄的管。该设备被设计为使得可以容易地将具有不同内径的管35结合到该设备中，例如通过使用具有可调宽度的安装件。
处理过的材料在足够的停留时间之后由一个出口螺杆传送器51通过隔室的出口 62从隔室中计量运出。螺杆的刮板53被设置在隔室的外表面上、靠近其出口 62，以阻止经处理的材料在隔室出口 62与螺杆传送器51的入口 64之间向上移动。在图6中所示的另一个实施方案中，该材料可以通过高温旋转阀从第二设备11中计量运出。
一个气体出口 55被设置在隔室4的顶部，用于使由材料的处理所产生的气体退出该隔室。过程气体入口管45、46被定位在隔室4的顶部和底部，以允许在需要时将过程气体输入到隔室4中。取决于应用，这些过程气体可以是空气、惰性气体、还原剂、氧化剂、用于化学反应、作为冲刷气体或用以使所处理的材料半流化。
第二设备11还包括一个微波和RF波发生器5 (在图I中不出)，它产生的电磁福射经由一个传输组件(结合有波导47)穿透该隔室4的壁的一部分被传输到隔室4中。如第一设备一样，当材料在处理过程中在隔室的入口和出口之间移动时，材料穿过隔室4的一个内部区域，其中隔室中的材料的至少一部分与该隔室壁接触。因此，在电磁辐射穿透该隔室壁的部分进入该隔室时，它穿过了一种非气态介质。这种配置降低了等离子体的形成和强度并且改进了设备的工作效率，因为辐射被吸收到所处理的材料中而不是使得隔室中的气体电离。
波导47是相对于隔室4水平地、并且横向于所处理的材料在入口和出口之间通过该隔室的大致流动方向而定位的。因此，该波导被配置为横向于所处理的材料穿过该隔室时的大致流动方向来将电磁辐射传输到隔室中。波导47还被配置成使得在工作期间电磁辐射在隔室4中的材料高度下方被传输到隔室4中。也就是说，该辐射进入隔室时所穿透的该隔室壁的这个部分是在隔室中的材料的工作高度以下。第二设备11被配置成使得在隔室4中由材料的处理所产生的气体从材料本体中逸出，并且通过一个气体出口 55退出该隔室，该气体出口位于该隔室中材料高度上方、并且位于波导47将辐射传输到隔室4中时所穿透的该隔室壁的这个部分上方。波导47和气体出口 55的这些配置意味着电磁辐射被完全传输到所处理的材料中并且没有到达隔室4中的任何内部气体。这导致了在设备4的工作中效率的改进、并且使等离子体的形成最小化。
该波导可以是单一的波导、优选标准TElO模矩形波导，但是优选地该波导如以上相对于第一设备10的拆分波导所述的被拆分。通过使用多个拆分的波导路径48，可以在隔室4之内实现TElO主模图案的竖直阵列。
微波和/或RF波通过单个波导被传输到隔室4中，或如在图4所示的实施方案中可以通过一个第二波导49被交叉耦合。这使得电磁辐射能够从多个相反的方向传输到隔室中，从而增强该方法的效率。在传输组件仅具有单一波导的实施方案中，取代第二波导提供了一个抛物线状金属板。该抛物线状的板将可能已经绕过所处理材料的波朝向材料中心反射回去。
隔室4包括一个由导电材料形成的上部30,该材料对微波和RF波进行反射,优选是导电材料、优选是金属如不锈钢，这是因为其温度耐受性和化学惰性特征。该上部是静止的并且被支撑在一个下部31上方，该下部被配置为在使用中进行旋转。该辐射进入该隔室时所穿透的该隔室的这个部分是位于该下部处。该内部区域也位于该下部31之内。设备 11具有一个围绕该下部31的壳体61,该壳体保持静止而该下部31在壳体61内部旋转。壳体61是由耐高温材料形成，该材料优选与该上部的材料相同。下部31还具有一个宽的基部62以提供对其上方的隔室4的结构支撑。下部31围绕一条延伸通过隔室4中心的竖直轴线旋转并且通过推力轴承或优选地多个竖直支撑滚轮32而竖直地被支撑。下部壳体的竖直对齐是通过多个水平支撑滚轮33而保持在位，这些支撑滚轮被安装在压缩垫34上以允许隔室4的热膨胀。下部31的旋转是经由驱动齿轮41驱动的，该驱动齿轮围绕该下部的基部62运转。波导47相对于旋转的下部31是固定的并维持静止、延伸穿过壳体61，这样使得该波导出口在该下部附近。在通过隔室的固定入口 50将材料竖直地供应到隔室4中时，该设备的下部31的旋转造成了所处理的材料相对于被传输到隔室中的电磁辐射而言发生盘旋并且造成电磁辐射进入该隔室时所穿透的隔室壁的这个部分发生改变。随着材料在重力下下降穿过该隔室4，下部31的旋转使材料移动穿过电磁场的功率密度较高和较低的区域。这产生了总体上均匀的微波和/或RF吸收。因此该处理操作是更高效的并且形成非常高温的局部区域或“热点”的概率更低。这进而进一步使等离子体的形成最小化。隔室4的下部31包括一个由耐高温的、耐热冲击的且对微波和/或RF波透明的材料形成的内管35。典型地，该内管是由陶瓷形成的，如石英、氧化铝、莫来石、塞隆陶瓷、氮化硼或任何其他对微波透明的、具有在O. 005ff/m-K到300W/m-K范围内的热导率的陶瓷。内 管35被一个低密度隔热管36 (如低密度氧化铝)包围。内管35在处理温度下的热膨胀应当与外管36的热膨胀匹配。内管35和隔热管36处于基部61的一个支檐60上并且通过一个陶瓷支架37和多个锁钉38保持在位置上。当进行机加工时考虑了该壳、基部、内管和陶瓷支架的热膨胀。陶瓷支架还可以是由低密度陶瓷如低密度氧化铝制成的。该内管还可以是用陶瓷胶而胶粘到支架上，以便增加内管的稳定性并且阻止内管的任何竖直移动。随着由热膨胀造成的内管膨胀，该低密度陶瓷支架材料由于热膨胀而压缩。除了隔热管36之外，隔室4的内壁在其上部30中是用一个对微波和/或RF波透明的低密度隔热层54而进行隔热的。如上面讨论的，相对于第一设备10，对于在其中进行材料处理材料的该隔室进行隔热意味着将过程热的对流和/或辐射在隔室4中保持在最小程度。其结果是等离子体的形成被最小化并且所形成的等离子体具有较低强度。隔室4还是在物理上和电磁上被密封的。微波扼流圈40a、40b被设置在静止的上部30和可旋转的下部31中，以使微波和/或RF波的泄漏最小化。为了确保没有微波泄漏，可以使用第二套扼流圈，或者替代性地可以使用两个优选由铜或黄铜构造的彼此接触的金属盘来对微波泄漏提供阻挡。这在图8中被示出。顶部盘41b通过一个精细的铜钉接头41a连接到静止的上部30。这个钉从顶部盘41b朝旋转的下部盘41c上施加一个略微向下的压力。下部盘连接到可旋转的下部31上。这些扼流圈可以被水平或竖直地设置。设置了具有耐高温性的气体密封件42、43以密封隔室4避免任何气体泄漏。绝缘层64被设置在支檐60的顶部以便热密封该隔室4。内管35的内表面通过金属的或优选陶瓷的刮刀44而保持清洁。陶瓷刮刀44包括一个杆，该杆抵靠在内管35的内表面处。随着下部31在使用中旋转,刮刀44在内管移动经过刮刀时刮掉该内管35的内表面上的材料。从该内管35的内表面上去除此类材料是有利的，因为微波和/或RF波可能耦合到该材料，从而导致在内管35上形成“热点”。该传输组件包括一个对微波和/或RF波透明的微波窗口 56。优选由石英形成的该窗口 56位于发生器5与隔室之间，以便保护辐射发生器免受等离子体影响。该窗口是通过围绕窗口周边放置的对微波透明的、优选硅气体密封件来进行气密的。一个等离子体检测器57被定位在波导窗口 56附近。一个气体入口 58被定位在该波导的、与等离子体检测器相反的侧面上并且靠近该窗口。气体入口 58 (如在图9中所示)相对微波窗口竖直地提供了一个的较小的连续气体流，该气体流可以是空气、氮气或惰性气体。这可以被称为“气幕”。气体流保持该窗口是清洁的并且处于稳定的温度下。如果在窗口 56上或附近形成等离子体，那么等离子体检测器57经由一个PLC对气体入口 58发信号，以便相对于窗口竖直地吹送大量气体从而熄灭该等离子体并且由此防止对窗口的损坏。如果在程序规定的时间之后等离子体没有熄灭，那么PLC将自动调低这个或这些发生器并且提供另一次空气或惰性气体喷射。一旦等离子体已经熄灭，PLC就将自动地逐渐上调恢复发生器的功率。如果等离子体再次形成于窗口上，那么PLC被编程为关闭该系统。在第一设备中设置了类似的波导窗口和等离子体熄灭系统。 图5显示出第二设备11的另一个实施方案，该第二设备是气密的，以便处理危险的、挥发性材料或者使用挥发性气体还原剂如氢气、氢气混合物、一氧化碳或危险气体混合物。该设备包括一个下部壳体66,该下部壳体连接到螺杆传送器63的顶部入口壳体上。高温气体密封件67被定位在静止的下部壳体66与旋转的壳体62之间。将会在58处使用气体，如空气、惰性气体或氮气，来冲刷具有挥发物的设备。温度控制将会通过连接到一个PLC上的热电偶69和70进行以改变来自这些辐射发生器的功率。气体传感器71a、71b被定位在该设备各处。这些传感器通过一个PLC连接，以便在挥发性气体或氧气进入设备31的下部壳体或波导的情况下关闭该系统。第二设备11可以用与第一设备10相同的频率工作，然而优选的是该第二设备在更低频率下如915MHz、460MHz和RF频率下工作，因为在这些频率下材料的穿透深度更大。第二设备11特别适合于在高温下工作，因为隔室4的下部壳体部分31的旋转降低了施加于隔室任一侧上的热应力。在图6中所示的一个替代性安排中，第二设备被配置为具有一个旋转阀72，该旋转阀被连接到该旋转的下部出口管上，以计量来自该设备的材料。该旋转阀是通过低电压电动机73驱动的并且给该电动机的功率是通过多个圆形电接触盘74提供的，这些盘被连接到旋转的下部出口管和静止的电触头75上并且对它们绝缘。在替代附图中所示的另一个实施方案中，第二设备被配置成使得，代替旋转该隔室的一部分，而使该波导(以及辐射发生器)围绕隔室做轨道运行，从而使得材料相对于进入该隔室中的电磁辐射而言螺旋地通过该隔室。现在参考图I和2，示出了用于材料的连续微波和/或RF波处理的、根据本发明一个实施方案的系统100。系统100结合有第一设备10和第二设备11。如图2中更详细描绘的，第一和第二设备是串联式安排的。应当注意，系统100可以仅包括这些设备之一或者可以包括并联或串联安排的多于两个设备。此外，虽然该系统被示出为具有本发明不同实施方案的多个设备，但是这两个设备可以是基本上相似的。然而，特别有利的是具有图I中所示的系统，其中第一设备10对第二设备11进行供应。这是因为，第一设备10适合用于在高频但低温下工作，并且具有沿隔室3长度的更精细的温度控制，而第二设备适合于在高温但低频下工作。因此第一设备10同时用作第二设备11的“预热器”和初始微波耦合器，使得从第一设备10供应到第二设备11的材料具有足够的温度从而能够通过更低频微波进行处理。同时，第二设备11使该材料能够被加热到足够的温度以进行所需的处理，该处理是无法通过第一设备10自身实现的。具有这个第一设备或多个串联的第一设备允许材料温度在构成这些设备的材料的许可的工作热冲击参数范围内逐渐增大。
系统100还包括一个料斗1，该料斗经由一个进料传送器2将材料供应到第一设备10的隔室3。该料斗优选通过气体或废热进行加热。特别有用的是预热料斗I中的那些不容易用微波和/或RF波加热的材料。在用于处理此类材料的另一个实施方案中，容易与微波和/或RF波耦合并且后续具有高能量损失的半导电材料骨料可以与进料材料均匀地混合。该骨料可以是陶瓷，如碳化硅或氧化锆。此类材料一般称为“有损耗的”。因为它们在与微波和/或RF波耦合之后具有高的能量损失，所以它们产生了对流和辐射热，该辐射热将所希望处理的周围材料加热。一旦有待处理的材料的温度增高，与这种材料耦合的微波和/或RF波一般也增加。使用“加热性”骨料提供了比料斗的气体或废热加热更均匀的材料预热方法。该骨料还帮助从隔室3、4的内壁上去除堆积物。该骨料可以从退出该设备
10、11的处理后材料中筛选出来并被重新使用。所处理的材料从第一设备10的隔室3供应到第二设备11的隔室4中。微波和/ 或RF波发生器5通过波导6、47和49提供电磁辐射。通过管道7从设备3、4去除烟雾。通过任何适当的机构8(如袋滤室、湿式除尘器、快速骤冷塔、飞溅冷凝器、蒸馏塔或其他类似的收集系统)将烟雾冷却并收集。取决于应用，烟雾可能包含有用地产品的颗粒或可能是废物。类似地，作为固体从系统100中退出的经处理的材料可以是废料或者可以是有用产品，这取决于应用。实例I将含有42%的为氧化锌的锌的电弧炉(EAF)粉尘与含94%碳的35%高品质褐煤煤焦还原剂充分共混。混合后的EAF粉尘和精细煤炭在盘形混合机中粒化为2至5_的粒料。将粒化的材料连续供应到类似于图2-4所示的设备中并且用微波电磁能量照射。在1000°C的固态反应中，锌从该设备中烟雾化并且在一个袋滤室中被收集，以使用这些不同设备中的每一个来产生固体的氧化锌颗粒。实例II包含AA和AAA电池的干电池组(包含作为锌金属的锌、锰、碳、塑料和各种其他少量金属)被研磨成直径小于5mm的颗粒并且与含94%碳的15%高品质褐煤煤焦还原剂充分共混。将共混后的材料连续供应到类似于图4所示的设备中并且用微波电磁能量照射。在1000°C下塑料的电池包裹物发生热解和气化。在固态反应中，在1100°C，锌从设备中烟雾化。将气流通过快速骤冷塔快速骤冷，以使二噁英的形成最小化。在穿过快速骤冷塔之后，气体穿过催化柱以从气流中完全去除任何剩余的二噁英。实例III将包含60%的氧化铁和20%的碳的来自钢铁厂加热炉的袋滤室粉尘与包含94%碳的25%高品质褐煤煤焦还原剂充分共混。混合后的袋滤室粉尘和精细煤焦在盘形混合机中粒化为2至5_的粒料。将粒化后的材料连续供应到类似于图2所示的设备中并且用微波电磁能量照射。在1000°C下氧化铁被金属化。实例IV将包含60%氧化铁的铁矿石细料与包含94%碳的40%高品质褐煤煤焦还原剂充分混合。混合后的铁矿石细料和精细煤焦在盘形混合机中粒化为2至5_的粒料。将粒化后的材料连续供应到类似于图4所示的设备中并且用微波电磁能量照射。在1000°C氧化铁被金属化。
在以下的权利要求书中以及在先前的发明说明部分中，除非由于表达语言或必然的暗示而导致上下文做出另外的要求，词语“包括”或其变型如“包括了(comprises)”或“包括有(comprising) ”是以包含性的含义使用的，即，指明了所陈述的特征的存在但是并不排除在本发明的各种实施方案中存在或增加其他特征。·
权利要求
1.一种用于材料处理的设备，该设备包括一个用于在处理过程中容纳所述材料的隔室，所述隔室具有至少一个壁、一个用于接收有待处理的材料的入口、以及一个使材料在处理后退出该隔室的出口 ；以及一个辐射源，用于将电磁辐射穿透该隔室壁的一部分引导到该隔室中，该隔室壁的该部分是至少部分地对该辐射是透明的，该辐射为微波或射频(RF)电磁辐射；其中该设备被配置为用于将该隔室中的材料的至少一部分放置成与该隔室壁的、该辐射进入该隔室中时所穿透的这个至少部分透明的部分相接触。
2.根据权利要求I所述的设备，其中该辐射源包括一个传输组件以用于将该电磁辐射传输到该隔室中。
3.一种用于材料处理的设备，该设备包括一个用于在处理过程中容纳所述材料的隔室，所述隔室具有至少一个壁、一个用于接收有待处理的材料的入口、以及一个使该材料在处理后退出该隔室的出口 ；以及一个传输组件，用于将微波或RF电磁辐射传输到该隔室壁附近的一个内部区域，其中该设备被配置为使得在工作期间在该内部区域中的该材料的至少一部分与该隔室壁相接触并且由此提供一种非气态介质，该辐射在进入该内部区域时穿过该介质行进。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中该传输组件包括一个波导。
5.根据权利要求4所述的设备，其中该波导具有一个邻近该隔室壁的出口。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中该传输组件包括一个相对于所提及的第一个波导而言交叉耦合至该隔室上的第二波导。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的设备，其中每个波导被拆分成多个波导路径。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的设备，其中每个波导是一个TElO模波导。
9.根据权利要求4-98中任一项所述的设备，其中该隔室具有与该波导基本上相同的览度。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的设备，其中该设备还包括至少一个辐射发生器以用于产生微波和/或RF电磁辐射，该传输组件被配置为将由每个发生器产生的辐射传输到该隔室。
11.根据权利要求10所述的设备，其中该传输组件包括一个波导窗口以用于保护该辐射发生器免受等离子体的影响。
12.根据权利要求11所述的设备，其中该传输组件包括一个波导窗口护罩，该护罩被配置为在该窗口的表面上吹上一层气体。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其中该传输组件包括一个等离子体熄灭系统以用于熄灭该波导窗口附近的等离子体。
14.根据权利要求13所述的设备，其中该等离子体熄灭系统包括一个或多个气体入口，该气体入口被配置为将气体吹入该波导中以熄灭任何等离子体。
15.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备具有TElO主模设计。
16.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该隔室具有单一的圆柱形壁。
17.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该隔室的至少一部分被配置成用于围绕一条中心纵向轴线旋转。
18.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备包括一个围绕该隔室的壳体，并且该隔室的至少一部分被配置成用于在该壳体之内旋转。
19.根据权利要求18所述的设备，其中该传输组件延伸穿过该壳体。
20.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备包括一种机构，该机构是用于当材料在该入口和该出口之间行进时使该材料相对于进入该隔室中的电磁辐射的方向而言以一种螺旋的流动路径行进。
21.根据权利要求20所述的设备，其中该螺旋化机构包括一个位于该隔室内部的旋转螺杆。
22.根据权利要求21所述的设备，其中该旋转螺杆的轴线是与该隔室的一条纵向轴线共轴的。
23.根据权利要求20或21所述的设备，其中该螺杆的刮板在该隔室的多个纵向内表面之间延伸。
24.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备被配置成使得该材料在该隔室中的工作高度是在该电磁辐射进入时所穿透的该隔室壁的这个部分的上方。
25.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该隔室的入口和出口限定了该材料通过该隔室的大致流动方向，包括经过了该电磁辐射进入时所穿透的该隔室壁的这个部分，并且其中该设备被配置为使得该电磁辐射是横向于该大致流动方向而进入该隔室中。
26.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备包括一个气体出口用于使气体退出该隔室。
27.根据权利要求26所述的设备，其中该气体出口被定位在该材料的工作高度上方。
28.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备包括沿该隔室的长度定位的多个温度传感器。
29.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备包括能够感测在该隔室的一个内部部分中的温度的一个第一温度传感器、以及能够感测在该隔室壁的内表面附近的温度的一个第二温度传感器。
30.根据权利要求29所述的设备，其中该第一温度传感器被定位在该隔室的内部部分中。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的设备，其中每个温度传感器配备有一个对微波或RF电磁辐射具有反射性的护套。
32.根据权利要求31所述的设备，其中每个护套都是接地的。
33.根据以上权利要求中任一项所述的设备，其中该设备还包括一个刮刀以用于从该隔室壁的内表面上刮下材料。
34.根据权利要求33所述的设备，其中该刮刀包括一个抵靠在该隔室壁的内表面上的杆。
35.根据权利要求33或34所述的设备，其中该刮刀基本上延伸了该隔室的长度。
36.一种用于材料处理的系统，该系统包括至少两个如以上权利要求中任一项所述的用于材料处理的设备。
37.一种用于处理材料的方法,该方法包括将有待处理的材料通过一个隔室的入口接收到该隔室中，该隔室具有至少一个壁；从一个辐射源将电磁辐射穿透该隔室壁的一部分发射到该隔室中，该隔室壁的该部分是至少部分地对该辐射是透明的，该辐射为微波或射频(RF)电磁辐射；在辐射进入该隔室之前，将有待处理的材料的至少一部分与该辐射进入该隔室中时所穿透的该隔室壁的这个部分相接触；并且通过该隔室的一个出口来输出该经处理的材料。
38.根据权利要求37所述的方法，还包括使该材料在该隔室的入口与出口之间、相对于该电磁辐射进入该隔室中的方向而言以一条螺旋的流动路径进行流动。
39.根据权利要求37或38所述的方法，该方法还包括在辐射进入该隔室时旋转该隔室。
40.根据权利要求37-39中任一项所述的方法，该方法还包括通过一个定位在该隔室中的材料的高度上方的气体出口而从该隔室中输出气体。
全文摘要
一种用于材料处理的设备，该设备包括一个用于在处理过程中容纳所述材料的隔室，所述隔室具有至少一个壁、一个用于接收有待处理的材料的入口、以及一个使材料在处理后退出该隔室的出口；以及一个辐射源以用于将电磁辐射穿透该隔室壁的一部分而引导至该隔室中，该隔室壁的该部分是至少部分地对该辐射是透明的，该辐射为微波或射频(RF)电磁辐射；其中该设备被配置为用于将该隔室中的材料的至少一部分放置成与该隔室壁的、该辐射进入到该隔室中时所穿透的这个至少部分透明的部分相接触。
文档编号H05B6/80GK102948254SQ201180030330
公开日2013年2月27日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年4月30日
发明者菲利普·约瑟夫·诺顿 申请人:量子波有限公司