CN110799797B - 炉 - Google Patents

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Abstract

一种用于材料热处理的炉(10)，所述炉特别是用于材料的碳化和/或石墨化，所述材料特别是纤维(12)，所述材料特别是由氧化的聚丙烯腈PAN形成的纤维(14)，其中，在热处理时从所述材料中释放出裂解气。炉(10)包括：壳体(16)；位于壳体(16)的内室(18)中的过程室(22)，该过程室由过程室壳体(24)界定并且材料能穿过该过程室引导；加热系统(32)，借助于该加热系统能加热在过程室(22)中充满的过程室气体(30)；和排气系统(48)，借助于该排气系统能从过程室(22)中吸出承载有裂解气的过程室气体(30)。排气系统(48)包括至少一个抽吸装置(52)，所述至少一个抽吸装置具有由通道壁(58)界定的抽吸通道(60)，该抽吸通道通过抽吸口(62)与过程室(22)连接。抽吸口(62)被布置在过程室(22)的区域(68)中，在该区域中在炉(10)运行时存在一温度，在该温度下在裂解气与过程室壳体(24)和/或通道壁(58)之间不会发生化学反应或仅发生有节制的化学反应。

Description

炉
技术领域
本发明涉及一种用于材料热处理的炉，所述炉特别是用于材料的碳化和/或石墨化，所述材料特别是纤维，所述材料特别是由氧化的聚丙烯腈PAN形成的纤维，其中，在热处理时从所述材料中释放出裂解气，所述炉包括：
a)壳体；
b)位于壳体的内室中的过程室，该过程室由过程室壳体界定并且材料能被引导穿过该过程室；
c)加热系统，借助于该加热系统能加热在过程室中的过程室气体/气氛；
d)排气系统，借助于该排气系统能从过程室中吸出承载有裂解气的过程室气体。
背景技术
这种炉特别用于碳纤维的制造，该碳纤维在三阶段的或四阶段的方法中由包含聚丙烯腈-纤维的纤维形成。下面大多时候将聚丙烯腈简写为PAN。在这种炉中也可以处理毡和无纺布。作为PAN的其它材料例如是粘胶纤维和木质素。
在第一个制造阶段中，聚丙烯腈在氧化炉中在温度在大约200℃至400℃之间时在存在氧气的情况下氧化形成被氧化的PAN-纤维。
这种被氧化的PAN-纤维随后在炉中的第二个制造阶段中在大约400℃至1000℃时在不含氧气的惰性气体-气氛中经受热处理，以便通过碳化提高纤维中碳的份额，该份额在氧化的PAN-纤维中为大约62重量百分比。通常应用氮气N2或氩气作为惰性气体。
在第三个制造阶段中，热处理在开头所述类型的炉中进行，该炉被称为高温炉，在氮气气氛下在800℃与1800℃之间，其中，进行碳化，在碳化中PAN-纤维裂解，直到该纤维具有大约92重量百分比至95重量百分比的碳份额。
在必要时，在第三个制造阶段之后获得的碳纤维在第四个制造阶段中在开头所述类型的炉中在1800℃与3000℃之间的温度下在不含氧气的惰性气体-气氛中经受另一热处理；在这种温度下进行碳纤维的石墨化，该碳纤维随后具有高于99重量百分比的碳份额并被称为所谓的石墨-纤维。通常在石墨化中将氩气用作惰性气体。
如果氧化的PAN-纤维在不含氧气的惰性气体-气氛中在高于700℃的温度下被热处理，则从PAN-纤维中释放出裂解气，该裂解气还包含氢氰酸HCN、氮气N2、氨气NH3，二氧化碳CO2，一氧化碳CO和甲烷CH4。由于包含的氢氰酸HCN特别是高毒性的，因此承载有裂解气的过程室气体借助于排气系统被从过程室中吸出并输送到下游的净化处理装置。在大多数情况下使吸出的和承载有裂解气的生产气体气氛燃烧，但也存在以下设施，在该设施中氢氰酸被化学地转化，以便获得氢氰酸作为材料资源。
过程室在已知的具有马弗炉/隔焰炉的高温炉中由一种材料加衬里，该材料与从PAN-纤维中释放出的裂解气发生化学反应并被其侵蚀。在由市场已知的炉中存在由石墨制成的马弗炉，其在高于大约1000℃的温度下被裂解气侵蚀。排气系统的废气通道或废气管道——通过该废气通道或废气管道将承载有裂解气的过程室气体远离于过程室引导——也通常被用马弗炉材料加衬里；废气通道或废气管道也因此在相应的温度下与被抽出的、承载有裂解气的过程气体发生反应并且被侵蚀。随着时间流逝，由于裂解气因此导致了在马弗炉处和在废气通道或废气管道处的损坏。
存在以下方法：将马弗炉在过程室中自身又补充地罩上所谓的牺牲性石墨板，其随后在规律性的间隔中被更换。然而在废气通道中仍存在问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种开头所述类型的炉，在该炉中减少过程室的负荷和通道或管道的负荷，承载有裂解气的过程气体被经过该通道或管道引导。
所述目的通过以下方式实现：
e)排气系统包括至少一个抽吸装置，所述至少一个抽吸装置具有由通道壁界定的抽吸通道，该抽吸通道通过抽吸口与过程室连接；
f)抽吸口被布置在过程室的区域中，在该区域中在炉运行时存在一温度，在该温度下在裂解气与过程室壳体和/或通道壁之间不会发生化学反应或仅发生有节制的/适度的/受控的化学反应。
本发明基于以下认识，即，如果确保了，裂解气在热处理的一个早期阶段中被以一温度——在该温度下参与的部件没有发生反应——吸出，那么对于与裂解气接触并与裂解气以不期望的方式发生反应的那些构件和部件的负荷就可以显著降低。为此，通过抽吸通道的抽吸口位置限定的吸出部位被有针对性地设置在过程室的、在其中充满相应低温的区域中。
优选地，在炉运行时在所述区域中存在低于1000℃的温度，优选地低于900℃的温度，特别优选地低于800℃的温度。
有利的是，所述区域位于用于待处理的材料的、过程室壳体的进入口旁边或附近。以这种方式可以有利地充分利用以下情况：过程室中的温度通常逐渐从入口至出口升高，无论如何在入口之后的区域中可以存在一温度，在该温度下不发生不期望的反应。在过程室的起点通常已经有最大份额的裂解气从纤维中释放出，其被以这种方式有效地移除，而不会造成更大的损坏。在过程室的后续区域中在较高温度下释放出的裂解气的量相比之下以合理的方式是可以忽略的。
在技术方面能以相对少的花费实现的结构通过以下方式实现：抽吸通道穿过进入口延伸到过程室中。
在相同的炉的不同的运行模式中可能发生的是，在其中充满期望的、相对低的温度的区域形成在过程室中的不同部位处。因此有利的是，抽吸通道被这样设计，即，抽吸口的位置是可变化的。
优选地，抽吸通道还包括多个通道部段，所述多个通道部段可拆松地相互连接，使得抽吸通道的长度能通过所设置的通道部段的数量进行调节。抽吸通道因此可以模块式地延长或缩短。
有利的是，抽吸通道在与抽吸口远离的端部上与收集通道连接，该收集通道自身又与热的后燃烧装置连接。如果存在多个抽吸通道，那么多个抽吸通道可以被集中在公共的收集通道中或与各一个自身的收集通道连接。
有利的是，在壳体的进入通路之前布置有抽吸装置的通路包壳(Durchgangs-Einhausung)，收集通道至少局部地在所述通路包壳中延伸。这种包壳能以简单的方式布置在炉的壳体与大多时候存在的入口闸门之间并且因此集成在总系统中。
如果过程室壳体被设计为马弗炉，特别是被设计为由石墨制成的马弗炉，那么可以特别好地应用吸出系统。
即使抽吸通道和/或收集通道由石墨制成或被用石墨加衬里，吸出系统仍特别有效地工作。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明。图中示出:
图1示出用于碳纤维的热处理的炉的透视图，该炉具有用于生产气体气氛的排气系统，该排气系统包括抽吸装置；
图2示出抽吸装置的透视图，抽吸装置具有剖开的壳体，因此能识别出抽吸通道，该抽吸通道穿过入口伸入过程室中；
图3示出炉的部分剖面，其中，能识别出抽吸装置的抽吸通道中的一个通过抽吸口与过程室连接的抽吸通道；
图4示出炉的部分剖面，其中，抽吸通道的抽吸口的位置相对于图3中的位置发生变化；
图5示出炉的部分剖面，其中，抽吸通道的抽吸口的位置再次相对于图3和图4中的位置发生变化；
图6示出炉的部分剖面，其中，以变型的布置示出抽吸通道；
图7示出炉的部分剖面，其中，能识别出两个抽吸通道；
图8示出抽吸装置的透视图，包括抽吸装置的变体的剖开的壳体；
图9示出抽吸装置的透视图，包括抽吸装置的另一变体的剖开的壳体；
图10示出变型的炉的部分剖面。
具体实施方式
在图中示出用于材料热处理的炉10，所述材料在图1至图9中示出的实施例中是纤维12、例如是由氧化的聚丙烯腈形成的纤维14，该纤维在下面被称为oxPAN-纤维14。
炉10包括隔热的炉壳体16，该炉壳体界定内室18。炉壳体16在一个端侧上具有纤维-进入通路20并在相对置的端侧上具有纤维-输出通路，由于视角原因，该纤维-输出通路未在图中示出。
在炉壳体16的内室18中设有过程室22，该过程室自身又被马弗炉26的形式的过程室壳体24界定。在当前的实施例中，马弗炉26由石墨制成。过程室壳体24——也就是说马弗炉26——在一个端侧上具有纤维-进入口28并在相对置的端侧上具有纤维-输出口，该纤维-输出口同样未在图中示出。在炉10运行时，在过程室22中充满过程室气体30。
炉10包括加热系统32，利用该加热系统加热过程室气体30。在此，在过程室22中、在马弗炉26的纤维-进入口22与纤维-输出口之间形成连续的加热区34，在所述加热区中在图1中能看出五个加热区34.1，34.2，34.3，34.4和34.5。温度从加热区到另外的加热区这样提高，使得在过程室22中存在大约800℃至大约1800℃的温度梯度。为每个加热区34配备有各一个专用的加热装置36，该加热装置在对应的加热区34中相应加热马弗炉26，如其本身已知的那样。为此，马弗炉26在每个加热区34中例如被未特别示出的加热外壳包围，该加热外壳被布置在马弗炉26与炉壳体16之间的空间中。该空间限定包围马弗炉26的加热室38。
加热室38在端侧通过示意性仅由线示出的绝缘件39界定。在加热室38中充满惰性气体-气氛，为此，加热室借助于未特别示出的惰性气体装置被馈送惰性气体；通常将氮气N2用作用于加热室38的惰性气体。
在入口侧，炉10包括：入口闸门40，该入口闸门具有单独的闸门壳体42；和由于视角也未在所示的视图中示出的出口闸门，该出口闸门具有单独的闸门壳体。通过入口闸门40向炉壳体16的内室18、以及由此向加热室38和过程室22借助于惰性气体装置44输送惰性气体46，从而在惰性气体-气氛的情况下进行oxPAN-纤维14的热处理。如开头所述的，在实践中将氮气N2或氩气用作惰性气体。过程室气体30因此是由惰性气体和在oxPAN-纤维14的处理中释放出的裂解气组成的混合物。
炉10还包括整体上用48表示的排气系统，借助于该排气系统能从过程室22中吸出过程室气体30。
在当前的实施例中，在入口闸门40与炉壳体16之间布置有排气系统48的抽吸装置52的通路包壳50，该通路包壳界定出流动室54。该流动室54在一侧气密地与入口闸门40连接并在另一侧气密地与炉壳体16连接，因此惰性气体46可以从入口闸门40穿过流动室54流入过程室22中。
oxPAN-纤维14借助于未特别示出的、本身已知的输送系统作为纤维毯56穿过入口闸门40、穿过流动室54并继续穿过炉壳体16的纤维-进入通路20被引导到其内室18中并在那里穿过过程室壳体24的纤维-进入口26被引导到过程室22中。纤维毯56穿越过程室22和设立在那里的加热区34并在此之后穿过过程室壳体24的纤维-输出口和穿过炉壳体16的纤维-输出通路并最后穿过与其连接的出口闸门被从炉10中导出。
现在为了将承载有裂解气的过程室气体30吸出，抽吸装置包括至少一个通过通道壁58界定的抽吸通道60，该抽吸通道通过抽吸口62与过程室22连接。在示出的实施例中存在两个这种抽吸通道60，该抽吸通道带有相同的附图标记；原则上唯一一个抽吸通道60就足够了。抽吸通道60被如同马弗炉26那样由石墨制成或用石墨加衬里。
在当前的实施例中，作为变体补充的抽吸口63设置在通道壁58中的朝向纤维毯56的侧上；然而在大多数情况下可以省略这种抽吸口63。
抽吸通道60在自由的端部上具有抽吸口62并在其远离抽吸口62的端部上在抽吸装置52的流动室54中与收集通道64连接，该收集通道穿过通路包壳50在两侧向外延伸并在那里向各一个热的后燃烧装置66引导。收集通道64也由石墨制成或被用石墨加衬里。
排气系统48的其它构件、部件和废气通道或废气管道——通过该废气通道或废气管道将产生的废气从热的后燃烧装置66输出——出于简明的原因未特别示出。
抽吸通道60从抽吸装置52的流动室54中穿过炉壳体16的纤维-进入通路20并穿过马弗炉26的纤维-进入口28延伸到过程室22中，其中，抽吸通道60被布置在纤维毯56上方。
抽吸通道60的抽吸口62以这种方式位于过程室22中，其中，该抽吸口被定位在过程室22的区域中，该区域限定惰性气体吸出区域并且在该区域中存在一温度，在该温度下在过程室气体30中的裂解气与马弗炉26以及抽吸通道60之间不会发生化学反应或至少仅发生有节制的/适度的/受控的化学反应。那么防止或减少了裂解气与收集通道64以及排气系统48的其它的、未示出的管道的化学反应。关于作为马弗炉26和抽吸通道60的材料的石墨，在区域中的温度不允许高于大约1000℃，这是因为在该温度下在石墨与裂解气之间发生不期望的化学反应。
在实践中要注意的是，在区域中存在低于900℃、更佳地低于800℃的温度。区域在此大多时候被直接安放在过程室22的纤维-进入口28旁边。
取决于炉10的运行方式，基于过程室22中的调节的温度曲线，在过程室22内的通过在那里充满的温度而限定的区域的位置但也可以改变，或者该区域的长度可以改变。由此，抽吸通道60被这样设计，使得抽吸口62的位置可以改变。
在当前的实施例中，抽吸通道60为此在包括抽吸口62的端部部段70中由通道部段72拼合而成，这些通道部段可拆松地相互连接，因此能通过设置的通道部段72的数量来调节抽吸通道60的长度。
在图3中示出由三个通道部段72构成的端部部段70。图4示出抽吸通道60，其端部部段70由四个通道部段72构成，因此抽吸口62相比于图3离纤维-进入口28更远地布置并且布置在过程室22内部更远处。图5示出抽吸通道60，其端部部段70由仅两个通道部段72构成，因此抽吸口62相比于图3和图4更接近于纤维-进入口28并因此较近地布置在过程室22的内部。
分别位于末端的所述通道部段72因此分别限定抽吸通道60的抽吸口62。如果设有补充的抽吸口63，那么它们相应地位于通道部段72中。
在未特别示出的变型方案中，抽吸通道60也可以在其形状方面设计为可变化的，因此抽吸口62的位置可以通过以下方式转移，即，抽吸通道60的曲线改变并且抽吸通道例如可以被设计为弧形形状。
图6示出了变型的抽吸装置52，在该抽吸装置中，抽吸通道60被布置在纤维毯56下方。在其它方面上述内容都适用。
图7示出了另一个变型的抽吸装置52。一方面在那里一个抽吸通道52在纤维毯56上方延伸，而一个抽吸通道52在纤维毯下方延伸。另一方面，抽吸通道52在其自由的端部上不具有抽吸口，而是具有多个侧面的抽吸口62，对此可以理解为侧面地在侧壁上和/或在指向纤维毯56的侧上设置在通道壁58中的抽吸口62。
如果抽吸通道60如在前面的实施例中那样可以通过相应的通道部段70在其长度方面变化，那么在抽吸通道60的自由的端部上设有抽吸口。通道部段70则可以具有通道壁58中的相应的侧面的抽吸口62。
图8示出一个变体，在该变体中，两个抽吸通道60中的每个抽吸通道都与自身的收集通道64连接，这两个抽吸通道分别引导向自身的热的后燃烧装置，其在图8中未再次单独地示出。
图9示出一个变体，在该变体中，又有两个现有的抽吸通道60与公共的收集通道64连接；然而该收集通道仅在一侧上穿过抽吸装置52的通路包壳50。
在图10中示出炉10的一个变型方案，该炉不是用于纤维12的热处理、而是用于板形材料74的热处理，在该板形材料热处理中释放出裂解气。这种材料例如包括硬毡。但是作为卷材的连续材料、如无纺布和软毡也可以归入板形材料。
这种板形材料74通过未特别示出的输送设备——该输送设备例如可以是推进系统——被输送穿过过程室22。在图10所示的变体中，抽吸通道60——由于剖面的原因仅能看到这些抽吸通道中的一个抽吸通道——在材料74上方延伸并且又在侧壁和通道壁58的指向材料74的侧上具有侧面的抽吸口。此外，收集通道64在该变型方案中不是向侧面、而是向上穿过抽吸装置52的通路包壳50延伸。
在上面说明的实施例的未特别示出的变型方案中，抽吸通道60可以补充地设计为具有由碳化硅SiC制成的保护板。如果在抽吸口62上应达到温度——在该温度下可以发生裂解气与马弗炉26或抽吸通道60的化学反应，则SiC以化学方式减少，其中，马弗炉26保持受到保护。

Claims (14)

1.一种用于材料热处理的炉，其中，在热处理时从所述材料中释放出裂解气，所述炉包括：
a)壳体(16)；
b)位于壳体(16)的内室(18)中的过程室(22)，该过程室由过程室壳体(24)界定并且材料能被引导穿过该过程室，过程室壳体(24)具有用于待处理的材料的进入口(28)；
c)加热系统(32)，借助于该加热系统能加热过程室(22)中的过程室气体(30)；
d)排气系统(48)，借助于该排气系统能从过程室(22)中吸出承载有裂解气的过程室气体(30)，
其特征在于，
e)排气系统(48)包括至少一个抽吸装置(52)，所述至少一个抽吸装置具有由通道壁(58)界定的抽吸通道(60)，该抽吸通道通过抽吸口(62)与过程室(22)连接，其中，抽吸通道(60)穿过进入口(28)延伸到过程室(22)中；
f)抽吸口(62)被布置在过程室(22)的区域中，所述区域位于用于待处理的材料的、过程室壳体(24)的进入口(28)旁边或附近，在该区域中在炉(10)运行时存在一温度，在该温度下在裂解气与过程室壳体(24)和/或通道壁(58)之间不会发生化学反应或仅发生有节制的化学反应。
2.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，在炉(10)运行时，在所述区域中存在低于1000℃的温度。
3.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，抽吸通道(60)设置成，使得抽吸口(62)的位置是能改变的。
4.根据权利要求3所述的炉，其特征在于，抽吸通道(60)包括多个通道部段(72)，所述多个通道部段能拆松地相互连接，使得抽吸通道(60)的长度能通过所设置的通道部段(72)的数量进行调节。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的炉，其特征在于，抽吸通道(60)在远离抽吸口(62)的端部上与收集通道(64)连接，该收集通道自身又与热的后燃烧装置(66)连接。
6.根据权利要求5所述的炉，其特征在于，在壳体(16)的进入通路(20)之前布置有抽吸装置(52)的通路包壳(50)，收集通道(64)至少局部地在所述通路包壳中延伸。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的炉，其特征在于，过程室壳体(24)被设计为马弗炉(26)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的炉，其特征在于，抽吸通道(60)和/或收集通道(64)由石墨制成或被用石墨加衬里。
9.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述炉是用于材料的碳化和/或石墨化。
10.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述材料是纤维(12)。
11.根据权利要求10所述的炉，其特征在于，所述纤维是由氧化的聚丙烯腈PAN形成的纤维(14)。
12.根据权利要求2所述的炉，其特征在于，在炉(10)运行时，在所述区域中存在低于900℃的温度。
13.根据权利要求2所述的炉，其特征在于，在炉(10)运行时，在所述区域中存在低于800℃的温度。
14.根据权利要求7所述的炉，其特征在于，马弗炉(26)由石墨制成。
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