CN108779397A - 低温下使用的多架炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在不超过350℃的温度下进行热处理的多架炉(1)，其中，架(2)由固定到外壳体(3)上的平盘构成，搅拌臂(5)固定到构成中央轴(4)的全部焊接模块(14)上，搅拌齿(15)焊接到它们各自的搅拌臂(5)上，所有这些元件由金属片或金属板制成，并且加热装置包括传热流体辐射换热器(17、27)，该换热器固定到每个架(2)的不与待处理物质接触的面上。

Description

低温下使用的多架炉

技术领域

本发明涉及用于固体或液体材料低温转化的工业热反应器技术领域。这里的低温是指适合生物质烘焙方法的温度，通常低于300℃-350℃。

更具体地说，本发明针对那些希望在装运前浓缩和稳定其产品的可燃生物质供应商、希望用绿色燃料替代煤的可燃生物质用户、希望在装运前稳定和浓缩工业污泥的工业污泥或净化站生产商，或用于改进其方法的操作。

背景技术

在能源领域，生物质(biomass，生物量)的概念包括所有可能成为能源的有机物。这种来自植物的有机物是植物吸收的太阳能的一种储存形式。它可以直接使用(能源木材)，也可以在有机物甲烷化(沼气)之后使用，或者在新的化学转化(生物燃料)之后使用。

烘焙是指在不超过350℃的温度下，通常在几乎无氧的条件下，有时在惰性冲洗下，对生物质进行热处理，这使得能够将能量集中在材料中，并使材料更脆，从而更容易破碎。生物质烘焙是一种非常类似于咖啡烘焙的方法。然而，由于咖啡种子呈现理想的球形，在木材烘焙的情况下，因此该方法中材料夹带流体的问题更为明显。

目前已知了工业型烘焙设备，其在第一阶段包括以深度干燥的形式进行的热预处理，以调节生物质的水分。这种预处理释放水，包括结合水，这是木材收缩的根源。干燥的木材包括10％-15％的表面水分和约20％的芯部水分。在第二阶段，通过温和热处理使生物质变得易碎，这严格来说是在无空气的情况下进行烘焙，然后将其粉碎，使得可以将粒度调节到所需的值。在这一步骤中，木材的木质素、纤维素和半纤维素被“降解”。木质素聚合物网络重排；这种现象从160℃开始出现，使木材具有疏水性。因此，烘焙的木材具有大约3％的吸湿平衡。

因此，已知了使用旋转炉、分级炉、液体或蒸汽饱和隧道炉、螺旋炉或流化床类型的技术来烘焙生物质以使其成为改进的燃料的方法。

目前的多炉膛炉是一种成熟的技术。这些竖直布置的炉在大气压下，在250℃至1050℃的温度范围内操作，并且反应表面具有例如高达550m²的能力。其还具有连续混合产物的优点。其用于环境领域(固体废物热解、煤再生和生物质转化)和原材料领域(工业矿石的煅烧和重结晶以及火法冶金)。

图1示意性地示出了根据现有技术的多炉膛炉1，在下面也称为MHF。后者例如可以采取一系列圆形炉膛或加热板2的形式，这些炉膛或加热板2彼此平行地布置在覆盖有耐火材料的钢外壳3中。沿着炉轴线布置的竖直旋转轴4承载设有搅拌器5的臂，即耙形工具，该搅拌器混合在炉的上端6供应给炉的负载物，并使其沿着螺旋路径移动穿过每个炉膛2。材料在两个相邻的炉膛中沿相反方向移动(分别朝向中心和炉外，反之亦然)。为此，连续的炉膛2设置有分别位于炉膛的竖直轴附近和径向端部附近的孔。通常，在上炉膛处提供生物质或负载物，并进行搅动以通过紧挨着的下炉膛上出现的上述孔穿过炉膛，等等。因此，其以这种方式越过并穿过每个炉膛2朝向设备7的底部移动，产物在底部卸载。热气体13，例如烟气，通常从负载物逆流循环，使炉达到所需温度，从而使负载物发生期望的热处理反应(深度干燥、烘焙等)。因此，通过燃烧负载物本身的成分或辅助燃料的成分来产生热量。例如，液体燃料燃烧器8可以通过壳体设置在一些炉膛处。也可以向炉中注入蒸汽来改善对炉的控制。该设备通常在受控环境下操作，并且包括用于控制负载物在炉中的温度和停留时间的机构。可以连续调整负载物供应，以使炉内混合的覆盖物(bed)的厚度保持恒定。

这种可能达到大约1000℃温度的炉通常包括压在壳体上的大量耐火材料。后者通常由组装在自支撑结构中的砖制成，所述自支撑结构据称是本领域技术人员熟知的“中国帽(Chinese hat)”的形式。耐火材料的厚度通常在10至30cm的范围内。此外，炉的中央轴必须通过本领域技术人员已知的装置9冷却。

文献WO/2012007574 A1公开了一种多炉膛炉，其提供将焚烧后的热解气体直接再注入在产物上，并要求(通过产物推进机构，产生的气体)将干燥区与烘焙区物理分离。

文献US/20130098751 A1公开了一种竖炉，其一半由板炉构成，另一半由竖窑构成，并且在压力(至少3巴)下操作。产物直接暴露于热气体中。

文献US 8,276,289 B2公开了一种旋转板炉(具有固定刮刀臂)。通过向反应器中注入热气体直接加热产物。

文献US 2013/0228443 A1公开了一种旋转板炉，产物在该旋转板炉上干燥，然后由于与焚烧的热解气体直接接触而被烘焙。

文献US 4,702,694 A描述了一种具有中空炉膛的MHF炉，其通过间接热解加热产物，但是炉膛以传统方式通过燃料的烟气向内加热。

文献CN104048516 A描述了一种立式蜗杆窑。

使用现有技术中具有典型设计的多炉膛炉(具有燃烧器、耐火材料、铸件等)由于耐火材料的量而具有过大的热惯性，太昂贵并且消耗化石燃料，这使得其尺寸不良且由于环境因素而不适用，特别是不适合用于低温热处理(<350℃)。

文献FR 2574810 A1公开了一种多炉膛反应器和用于在受控压力和温度条件下对碳质有机材料进行热处理方法。该反应器包括加压容器，特别是包含一系列重叠的下部环形炉膛，这些炉膛限定反应区。该反应器在其顶点处包括用于引入加压材料的入口孔，该加压材料通过刮削臂转移，同时交替地朝向内部和朝向外部受引导，并且向下级联以穿过预热区和反应区。改进的反应产物从底部提取，而残余水和产生的气体从预热区的顶部提取。反应区产生的热反应气体逆流通过，以在预热区对材料进行预热，释放并提取水分。

文件US 2016/0017235 A1公开了一种使用气化器处理废物供应负载物的方法以及用于执行该方法的气化器。来自电机的热废气穿过一系列竖直堆叠在气化反应器内的中空加热板，每组连续加热板之间的空间形成反应区。每个反应区由转盘分为上处理区和下处理区。废物从外部供应点沿着旋转盘的上表面在位于径向最内侧部分上的下降区域中径向向内移动，废物从该下降区域下降到下面的中空加热板的上表面。然后，废料在槽中被径向向外朝着下一个反应区输送，或者一旦废料被完全处理，就被输送到反应器的出口。来自废料的蒸汽在每个反应区中通过出口孔被吸入，以用于后续处理。

发明目标

本发明的目的在于在低温下在多炉膛炉中转化废物或生物质，该多炉膛炉设计成最佳地降低资本支出(Capex)和操作支出(Opex)，同时保留MHF的操作资产(operationalasset，操作特性)。

发明内容

本发明涉及一种用于在不超过350℃的温度下进行热处理的多炉膛炉，包括用于待热处理材料的上入口、用于已处理材料的下出口、旋转中央轴、用于待热处理材料的加热装置、多个炉膛紧固到其上的外壳体、在每个炉膛上方设置有搅拌齿的至少一个搅拌臂，所述搅拌臂通过旋转中央轴旋转，这些炉膛交替地且分别具有靠近轴的卸料开口和远离轴的卸料开口，以便使待处理的材料沿着炉的高度形成螺旋路径，炉膛由固定到外壳体上的平盘构成，搅拌臂固定到构成中央轴的机械焊接模块上，搅拌齿焊接到它们各自的搅拌臂上，所有这些元件均由片状金属制成，即由金属片或金属板制成，所述多炉膛炉的特征是，前述加热装置包括呈扁平热交换结构形式的辐射换热器，该扁平热交换结构包括热流体管道，该热流体管道固定到每个炉膛的不与待处理材料接触的面上，并且特征为，包括热流体管道的扁平热交换结构包括一组单独的管道，该单独的管道由以小部段形式弯曲成扇形的单件管制成。

根据本发明的优选实施例，多炉膛炉还包括以下特征中的至少一个或它们的适当组合：

-金属材料为不锈钢；

-紧固件可拆卸，有利于维护；

-上述两种类型的炉膛，根据其卸料开口的位置，包括呈扇形的金属片或金属板，它们彼此栓接或焊接以形成放置在臂上、由金属制成并且也紧固到外壳体上的平盘成形结构；

-搅拌臂在每一级组装到旋转中央轴，同时以确定的恒定角度彼此分离；

-从一级到下一级，搅拌臂以恒定的确定角度偏移；

-每个搅拌臂呈梁或金属仿形的形式，其直齿彼此平行且垂直于臂，但与搅拌臂轴线形成不同于90°的角度；

-两个连续级的搅拌臂装配在炉中央轴的模块元件上，所述模块元件具有例如剖面为矩形的外壳，搅拌臂在该外壳处螺栓连接，不同的中央轴模块竖直连接，例如装配在一起；

-两种类型的炉膛各自具有不同扇形形式的热交换结构，因为炉膛用于供负载物和气体通过的圆形孔是中心孔或周边孔；

-组装的扇形夹在炉膛背面不与负载物接触的表面上；

-热流体是热油。

根据本发明的多炉膛炉可以例如用于在低于350℃的温度下干燥和烘焙木材的方法中，其特征在于至少以下步骤：

-用一把剪刀剪切木材，该剪刀装或未装在设备中，

-将剪切的木材在干燥器中干燥，

-将剪切和干燥的木材在上述多炉膛炉中热解或烘焙，

-在破碎机和压机中将离开多炉膛炉的材料降解成“碎片”以获得颗粒，

-颗粒在固体燃料锅炉中燃烧，产生烟气和蒸汽作为输出，为涡轮/交流发电机单元提供动力，

-通过干燥器回收能量，

-离开锅炉的烟气通过换热器，该换热器带来将多炉膛炉加热到预定温度的热流体，

-将由多炉膛炉产生的热解气体也作为燃料喷射到锅炉中。

根据本发明的多炉膛炉还可以有利地部分地用于干燥待处理的材料，或者甚至专门用于进行干燥。

附图说明

已经提到的图1示意性地示出了根据现有技术的多炉膛炉

图2A和2B示出了根据本发明的多炉膛炉的实例性实施例的内部概图。

图3示意性地示出了使用根据本发明的多炉膛炉的烘焙方法的实施例。

图4示出了根据图2A和2B的炉的外壳体的视图。

图5A分别示出了上述炉的外部正视图和剖视图。

图5B示出了上述炉的两个相邻炉膛的平面图。

图6示出了根据上述炉的旋转轴上的总成的搅拌臂的若干视图。

图7显示了单个搅拌臂的不同视图。

图8示出了上述炉的旋转轴的模块元件之一。

图9示出了分别特别适用于两种类型的炉膛的热油换热器的实例。

具体实施方式

本发明提出了一种称为“MHF 100/0”(代表100％金属，0％喷射燃料)的多炉膛炉，其特别适用于低温热处理，特别是废物或生物质的烘焙和/或干燥，主要通过：

-用机械焊接和非冷却总成代替搅拌机械的组件；

-用标准外绝缘材料代替内耐火材料；

-用扁平金属炉膛代替“中国帽”形式的炉膛；

-用固定在炉膛下方的热油辐射管代替化石燃料燃烧器；

-用重要的能源替代化石燃料，例如通过简单的烟气/热油交换器。

有利的是，用于制造这种炉的大多数金属组件是易于商购的标准不锈钢组件。

图2A和2B示出了这种炉的一个实例的概图。

图3示出了使用根据本发明的多炉膛炉的实例烘焙方法。在剪刀101中剪切例如含水量为50％的木材，在干燥器102中干燥，然后例如具有10％的残余水分在MHF 103中进行处理，即热解或烘焙。在MHF的出口处，破碎机和压机104将在MHF出口处获得的“碎片”还原成褐色颗粒，该颗粒在传统固体燃料锅炉105中燃烧。后者产生供给涡轮/交流发电机单元106的蒸汽。锅炉出口处的冷凝水108可由干燥器102回收。锅炉109出口处的烟气通过换热器107，换热器107使供给MHF炉103的热油110达到合适的温度。由MHF 103产生的热解气体111也可以注入锅炉105中。

根据本发明的一个优选实施例，如图4、图5A、图5B、图6、图7、图8和图9所示，炉的大多数金属组件(其温度通常不得超过400℃)由常用不锈钢制成。例如，炉的外壳3可以由例如1.5cm厚的不锈钢片“316”(适用于潮湿和腐蚀性环境)的圆筒制成。两种类型的炉膛2也由可具有或不具有这种厚度的不锈钢片板制成，该不锈钢片板呈扇形21的形式，放置在臂22上，由也紧固到外壳3上的不锈钢制成(图5A和图5B)。因此，炉膛2采用平盘的形式。鉴于已经省去了大量耐火砖，实在没有理由再生产“中国帽”式的自支撑式炉膛。这里，扇形是指盘的圆扇形，即由两个半径和圆弧界定的表面。

如图6所示，在该特定实施例中，在每一级组装搅拌器5(在该非限制性实例中为4个)，搅拌器5彼此间分开90°的角度。从一级到另一级，搅拌器5偏移45°(梅花形)。有利的是，搅拌器和其它金属部件的紧固件通过螺栓连接、焊接、铆接、缝合、卷边或过盈配合制成。出于维护目的，进一步有利的是，这些紧固件可拆卸。

如图7所示，搅拌器5采用不锈钢臂的形式，例如具有矩形剖面的管，设置有彼此平行并垂直于臂的直齿15，但这些直齿与臂的轴线形成不同于90°的角度，选择该角度是为了获得可能的最佳搅拌效率。

如图8所示，两个连续级的搅拌器5级将组装在炉的中央轴4的模块元件14上。该模块元件14具有带有矩形区段16的外壳，搅动器5的臂可以用螺栓固定在矩形区段16。同样，不同的轴模块元件14可以竖直地连接，例如彼此螺栓连接或适配。由于断裂或有缺陷(螺栓连接)的机械焊接臂和磨损(焊接)的搅拌齿都可以容易地拆卸和更换，因此使得维护更容易。

根据本发明的另一个实施例，炉的炉膛将由与每个炉膛2的下表面相关联的热油管道17、27的扁平结构单独加热。炉膛2的下表面将被一组单独的管道覆盖，这些管道优选地由以小部段(例如扇形37、47)的形式弯曲的单件管制成。每个管道元件的宽度朝向炉中心减小(“扇形”形式)，从而使该元件具有“圣诞树”的形式。两种类型的炉膛2将具有各自的交换器17、27，其具有不同的扇形37、47形式，这是因为炉膛用于供负载物和气体通过的圆形孔是中心孔或周边孔。将交换器组装在这种小部段37、47中有利于交换器的运输、安装和维护。每个炉膛的这种单独的交换器系统还允许逐一地对炉膛进行精确调节温度，例如通过作用于在扇区中循环的油的流速。同样有利的是，扇形的总成可以夹在炉膛的背面(不与负载物接触的表面)上，从而允许容易地拆卸这些交换器。

本发明的一般优点

本发明的优点是：

-完全保持炉膛调节温度的原则，以获得精确的热分布；

-完全保留MHF特有的模块化设计原则：炉膛的直径和数量适应所需处理能力；

-由于绝热材料和耐火材料的体积大大减小，用机械焊接总成代替了大型铸钢部件，以及取消了空气冷却系统和化石燃料燃烧器，因此节省了大量费用；

-极大地降低了热惯性；

-由于精心选择了不锈钢，具有耐酸性和防潮性；

-由于内部环境完全由金属制成，因此易于清洁；

-由于热力发电不需要燃烧化石燃料，因此减少了生态足迹(ecologicalfootprint)；

-设计紧凑、简化、轻巧，缩短了施工时间；

-交货前进行预装配，从而进一步缩短了装配时间；

-没有燃烧系统，使得减少了维护；

-由于炉的模块化方面允许在未完全停止组装的情况下进行小修理，因此易于程序化维护；

-Capex支出减少约40％至50％。

附图标记列表

1 多炉膛炉(MHF)

2 由耐火材料或金属制成的炉膛

3 外壳体

4 中央轴

5 搅拌臂

6 负载物的上入口

7 负载物的下出口

8 化石燃料燃烧器

9 中央轴的冷却

10 中央轴的电机

11 炉膛中心的卸料孔

12 炉膛的外卸料孔

13 烟气

14 中央轴的机械焊接模块

15 搅拌齿

16 用于搅拌臂的中央轴法兰或套筒

17 用于中央卸料炉膛的油换热器

21 炉膛各个区段

22 炉膛支撑臂

27 用于周边卸料炉膛的油换热器

37 第一交换器元件

47 第二交换器元件

101 剪刀

102 干燥器

103 MHF

104 破碎机/压机

105 锅炉

106 涡轮/交流发电机

107 换热器

108 冷凝水

109 锅炉出口烟气

110 热油

111 热解气体

Claims (11)

1.一种用于在不超过350℃的温度下进行热处理的多炉膛炉(1)，包括：用于待热处理材料的上入口(6)、用于已处理材料的下出口(7)、旋转中央轴(4)、用于待热处理材料的加热装置(8、17、27)、多个炉膛(2)所紧固至的外壳体(3)、在每个炉膛(2)的上方并设置有搅拌齿(15)的至少一个搅拌臂(5)，该至少一个搅拌臂通过所述旋转中央轴(4)而旋转，所述炉膛(2)交替地且分别地具有靠近所述旋转中央轴的卸料开口(11)和远离所述旋转中央轴的卸料开口(12)，以便使待处理的材料沿着所述多炉膛炉的高度形成螺旋路径，所述炉膛(2)由紧固到所述外壳体(3)上的平盘构成，所述搅拌臂(5)紧固到构成所述旋转中央轴(4)的机械焊接模块(14)上，所述搅拌齿(15)焊接到它们相应的搅拌臂(5)上，所有这些元件都由金属材料片或金属材料板制成，所述多炉膛炉(1)的特征在于，所述加热装置包括呈扁平热交换结构形式的辐射换热器，以用于对每个炉膛(2)进行单独加热，所述扁平热交换结构包括热流体管道(17、27)，所述热流体管道固定到每个炉膛(2)的不与待处理材料接触的面上，并且在于，包括热流体管道(17、27)的扁平热交换结构包括一组单独的管道，该单独的管道由以小部段形式弯曲成扇形(37、47)的单件管制成。

2.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，所述金属材料是不锈钢。

3.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，用于紧固的件可拆卸。

4.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，前述两种炉膛(2)根据其卸料开口的位置，包括扇形(21)形式的金属板，这些金属板彼此螺栓连接或焊接，以形成放置在臂(22)上、由金属材料制成并且也紧固到所述外壳体(3)上的平盘成形结构。

5.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，所述搅拌臂(5)在每一级处组装至所述旋转中央轴(4)，同时以确定的恒定角度彼此分离。

6.根据权利要求5所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，从一级到下一级，所述搅拌臂(5)以恒定的确定角度偏移。

7.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，每个搅拌臂(5)呈具有直的(15)齿的梁或金属仿形件的形式，这些齿彼此平行并垂直于所述搅拌臂，但与所述搅拌臂的轴线形成不同于90°的角度。

8.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，所述搅拌臂(5)的两个连续级组装在所述多炉膛炉的所述旋转中央轴(4)的模块元件(14)上，所述模块元件(14)具有外壳，该外壳具有例如矩形的剖面(16)，所述搅拌臂(5)在所述外壳处螺栓连接，不同的中央轴的模块元件(14)竖直连接，例如彼此装配。

9.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，由于所述炉膛(2)的用于供负载物和气体通过的圆形孔是中心孔或周边孔，所以前述两种炉膛(2)各自具有不同扇形(37、47)形式的热交换结构。

10.根据权利要求8所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，组装的所述扇形夹在所述炉膛(2)的背部不与负载物接触的表面上。

11.根据权利要求1所述的多炉膛炉(1)，其特征在于，热流体是热油。