CN111690421A - 一种物料热处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种物料热处理方法及系统。其中，所述方法包括以下步骤：将包含有机物质的待处理物料放入具有预设工作温度或可调整至预设工作温度的工作腔，在所述预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料；以及向所述中间物料施力，剥离形成于所述中间物料表面的碳化层。通过本申请提供的物料热处理方法及系统，不仅提高了物料处理效率和提高了产能，也降低了能耗。

Description

一种物料热处理方法及系统

技术领域

本申请涉及物料处理技术领域，具体而言，涉及一种物料热处理方法及系统。

背景技术

在物料处理领域，国内外采用的传统处理方式通常是以连续高温的方式改变原有物料的形态、分子结构，最后形成新的产物。以生活垃圾为例，目前，采用裂解气化技术可以对生活垃圾进行处理，但存在如下缺陷：一方面，裂解气化技术利用高温驱动，消耗大量能源；另一方面，由于生活垃圾中成分的复杂性，裂解过程中，导热系数较低的物质，很难实现工业连续化裂解，裂解效率极低，处理能力不足。同时，在裂解过程中，因高温导致生活垃圾中的重金属发生相态变化产生重金属飞灰以及高温处理过程中衍生的有害物质二噁英等，这些又给环境带来了二次污染。

值得一提的是，现有的大多数裂解炉，受到物质传热系数低这一因素的影响，无法直接对生活垃圾进行裂解，而是要在裂解之前，对生活垃圾进行碎化处理，碎化后的尺寸需要达到3mm～5mm，这一过程无疑也增加了生活垃圾处理的投入和难度，造成高耗能、高投入、低产出的尴尬局面。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种高效的物料热处理方法及系统。

具体地，本申请是通过如下技术方案之一实现的：

一种物料热处理方法，包括以下步骤：

将包含有机物质的待处理物料放入具有预设工作温度或可调整至预设工作温度的工作腔，在所述预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料；以及

向所述中间物料施力，以剥离所述中间物料表面的碳化层。

可选的，将所述工作腔的预设工作温度调整在300℃～500℃之间。

可选的，将所述工作腔的预设工作温度调整在280℃～450℃之间。

可选的，所述方法还包括：向工作腔加入催化剂，所述工作腔的预设工作温度为230℃～430℃之间。

可选的，所述向中间物料施力包括：以3～10r/min的速度搅动中间物料。

可选的，所述方法还包括分散步骤：在剥离所述碳化层的过程中，分散所述中间物料。

可选的，在所述分散步骤中，沿着迂回路径分散所述中间物料。

可选的，在所述分散步骤中，所述分散所述中间物料包括：

接触式，通过机械结构的动作给所述中间物料提供动能，分散中间物料；和/或

非接触式，通过非接触式能量传递方式给所述中间物料提供动能，分散中间物料。

可选的，所述方法还包括介质剥离步骤：向所述工作腔内放入剥离介质，通过剥离介质作用于所述中间物料，以剥离中间物料表面的碳化层。

可选的，在介质剥离步骤中，所述通过剥离介质作用于所述中间物料，包括：搅动剥离介质，使剥离介质运动并与中间物料碰撞，剥离中间物料表面的碳化层，和/或，混合剥离介质与中间物料，通过克服分子间力剥离中间物料表面的碳化层。

可选的，所述方法还包括导料步骤：向中间物料前进方向的反方向导料，使中间物料相向碰撞。

可选的，所述方法还包括温度控制步骤：设置多点分布式加热源为工作腔加热，控制单元根据工作腔的温度参数实时调控各加热源释放的热能。

可选的，所述工作腔为无氧工作腔或真空工作腔。

可选的，所述方法还包括无氧或真空处理步骤：向所述工作腔内加水、水蒸气或惰性气体，以隔离氧气。

可选的，所述方法还包括自动控制步骤；监测所述工作腔内的温度和压力，根据监测到的温度数据和压力数据调整加热源释放的热量、调节腔内压力。

可选的，所述方法还包括余热利用步骤；搅动从所述工作腔内排出的处理后物料，使所述处理后物料形成环绕所述工作腔的混合流。

一种物料热处理系统，该系统应用上述任一项所述的方法，该系统包括：

炉体，包括工作腔，所述工作腔用于放置包含有机物质的待处理物料，所述工作腔设定为预设工作温度，在所述预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料；以及

施力装置，设置于工作腔内，用于向所述中间物料施力，以剥离所述中间物料表面的碳化层。

可选的，该系统还包括：用于在剥离所述碳化层的过程中分散所述中间物料的分散装置，所述分散装置设置于工作腔内。

可选的，当采用剥离介质与所述中间物料撞击这一方式时，该系统还包括：设置于工作腔内的动能提供装置；所述动能提供装置用于搅动剥离介质，使剥离介质在运动的过程与中间物料接触，剥离碳化层。

可选的，该系统还包括设置于工作腔内用于向中间物料前进方向的反方向导料的导料装置。

可选的，所述系统还包括多个分布式热源和控制单元，所述多个分布式热源均与所述控制单元电连接，所述控制单元根据工作腔的温度数据控制所述多个分布式热源释放的热能。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请提供了一种物料热处理方法，该方法基体碳剥离这一技术，在预设的工作温度下，通过力的作用破坏形成在中间物料表面的碳化层，从而对碳化层进行剥离。中间物料表面的碳化层被剥离后，中间物料会产生新的断裂表面，该断裂表面的有机物质受热又形成新的碳化层，并通过力的作用继续被剥离，这一过程即实现了对物料的处理，使得中间物料逐渐被碳化解体，而无需将工作腔内的温度设定的很高(例如超过800℃)，提高了物料处理效率以及降低了耗能。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例示出的物料热处理方法的流程图；

图2是本申请一示例性实施例示出的物料热处理方法的另一流程图；

图3是本申请一示例性实施例示出的物料热处理方法的又一流程图；

图4是本申请一示例性实施例示出的物料热处理方法的又一流程图；

图5是本申请一示例性实施例示出的物料热处理方法的又一流程图；

图6是本申请一示例性实施例示出的物料热处理系统的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本申请提供了一种物料热处理方法(以下简称方法)，该物料热处理方法可以提高物料的处理效率，降低投入成本，提高产能。

请参考图1，该方法包括：

将包含有机物质的待处理物料放入具有预设工作温度或可调整至预设工作温度的工作腔，在预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料；以及向中间物料施力，以剥离中间物料表面的碳化层。

这里所说的“中间物料”指的是进入工作腔内的物料。这里所说的“预设工作温度”不局限于某一点的温度，也可以是某一温度区间，并且，本申请对预设工作温度的具体数值不做限定，可以在工作腔内设定能够使待处理物料表面的有机物质碳化的任意温度值或任意温度区间。在预设工作温度的工作腔内，包含有机物质的待处理物料受热后，形成表面具有碳化层的中间物料。

向工作腔内的中间物料施力，通过力的作用破坏形成在中间物料表面的碳化层，剥离中间物料表面的碳化层。

碳化层被剥离后，中间物料的表面又会产生新的断裂表面，该断裂表面的有机物质受热又形成新的碳化层，通过力的作用继续被剥离，这一过程即实现了对物料的处理，使得物料中的有机物质不断的被碳化和剥离。

基于碳剥离这一技术，在本申请一实施方式中，工作腔的预设工作温度可以设定或调整至300℃～500℃之间，以对物料实现低温下的处理，显著降低了耗能。进一步，在本申请另一实施方式中，还可以将工作腔内的温度设定在280℃～450℃之间。

下面通过表1说明包含有机物质的各待处理物料在不同温度下的碳化过程。

表1

由表1可知，当温度达到280～450℃时，包含有机物质的不同物料表面形成碳化层，此温度下进行碳剥离的效果最好。且相比于450℃以上的温度，能耗大大降低，更无需将工作腔内温度设定的很高(例如超过800℃)。

在本申请另一实施方式中，还可以包括：向工作腔内加入催化剂，将工作腔的预设工作温度调整至230℃～430℃之间。此方式下，可以进一步降低能耗。

该方法基于对物料的表面持续的进行碳剥离这一技术，可以简化甚至省略对待处理物料的碎化过程，无需将待处理物料碎化成3mm～5mm大小的尺寸，降低了物料的碎化难度，提高了物料的处理效率。

根据碳的结构特性，在碳化层形成后，碳化层的厚度较小且脆性较大，此时进行碳剥离的效果最佳。为此，请参考图2，本申请提供的物料热处理方法中，向中间物料施力的方式包括：以3～10r/min的速度搅动中间物料，使中间物料受力。这样一来，一方面，可以在碳化层最薄弱的时段内连续得将碳化层剥离，降低碳化层剥离的难度。另一方面，被剥离掉的碳化层越多，则形成的新的断裂面的面积越大，碳剥离的效率也越高。

在中间物料的处理过程中，物料堆积会使得有机物质被包裹，无法快速受热而形成碳化层，基于此，请参考图3，本方法中还可以包括分散步骤：在剥离碳化层的过程中，分散中间物料。这样一来，中间物料可以变得更加松散，则中间物料中的有机物质有更多机会裸露出来，并且可以在受热后快速形成碳化层，以加速碳剥离。

进一步，在分散步骤中，可以沿着迂回路径分散中间物料，这样可以使得在分散过程中，中间物料表面的碳化层能够反复、高效的被剥离。

分散中间物料的具体方式不限，一种实施方式中，可以通过接触式的方式分散中间物料，具体而言，可以通过机械结构的动作给中间物料提供动能，以分散中间物料。另一种实施方式中，还可以通过非接触式能量的方式分散中间物料，例如，非接触式能量传递方式可以是声波或电磁波，也可以是声波与电磁波组合的方式，给中间物料提供动能，以分散中间物料。

前述中已知，形成于中间物料表面的碳化层是通过外力被剥离的，例如，可以通过拨动或翻动中间物料的方式实现。另外的实施例中，请参考图4，还可以在工作腔内放入剥离介质，通过剥离介质撞击中间物料，以剥离中间物料表面的碳化层。

一种实施方式中，剥离介质可以选择由硬度高、耐磨损的无机材料制成，并且，剥离介质的形状可以设置成尖锐状，以便于将应力集中作用在碳化层的较小面积处，从而可以更加有效地对碳化层进行剥离。

需要说明的，剥离介质可以散落地放置于工作腔内，并且后期可以通过分离装置从工作腔中分离出来，不会对中间物料的处理造成影响。

在剥离步骤中，剥离介质可以通过中间物料的运动与其碰撞，实现对碳化层的剥离。在实际应用中，为了提高剥离效果，可以采用如下实施方式：搅动剥离介质，使剥离介质运动并主动与中间物料碰撞，剥离中间物料表面的碳化层。采用这一方式后，可以增加剥离介质与中间物料的接触频率，提升碳剥离的效率。

另一种实施方式中，剥离介质也可以采用催化剂，此方式中，将剥离介质与中间物料混合，通过克服分子间力剥离中间物料表面的碳化层。

请参考图5，本申请中方法还可以包括导料步骤：向中间物料前进方向的反方向导料，使中间物料相向碰撞。也就是说，除去利用剥离介质和工作腔内的机构运动两种方式进行碳剥离以外，还可以通过中间物料自身的相互碰撞进行碳剥离。该步骤中，中间物料之间相向碰撞，碰撞速度为双向速度之和，由此可以增加中间物料的动能，从而增加碰撞力，更加有效、快速地实现碳剥离。

可选择地，该方法还可以包括温度控制步骤：设置多点分布式加热源为工作腔加热，控制单元根据工作腔的温度参数实时调控各加热源释放的热能。温度控制步骤可以根据工作腔的温度参数调整加热源释放的热量，起到降低能耗的作用。

进一步，该方法还可以包括自动控制步骤：监测工作腔内的温度和压力，根据监测到的温度数据和压力数据调整加热源释放的热量、调节腔内压力，以保证工作腔内达到进行碳剥离的预设工作温度和压力。

在物料处理过程中，通常产生有毒有害气体，例如二噁英，二噁英是由于氧元素与氯元素结合而形成，因此，为了减少有毒有害气体的排放，本方法还包括无氧处理步骤：将工作腔处理成无氧工作腔。一种实施方式，可以向工作腔内通入惰性气体例如氮气的方式隔氧。另一种实施方式中，可以向工作腔内注入水，水受热形成水蒸气以隔离氧气；又一种实施方式中，还可以直接向工作腔内通入水蒸气以隔离氧气。

这里需要说明的是，无氧工作腔是指工作腔的含氧量很小，可以忽略不计，而不是绝对意义上的无氧。

此外，作为本申请的另一种实施方式，工作腔还可以处理成真空工作腔，通过将工作腔抽真空的方式实现。

在物料表面的有机物质形成碳化层的过程中，中间物料需要不断的从工作腔吸热，实现热量从工作腔与中间物料之间的热传递。为了降低能耗，实现余热利用，该方法还可以包括余热利用步骤：搅动从工作腔内排出的处理后物料，使处理后物料形成环绕工作腔外壁的混合流，以将热量传递至工作腔的外壁。这样一来，处理后物料中的余热可以通过热辐射或热传递的方式供给工作腔，当监测到工作腔内温度达到设定工作温度时，可以控制燃烧腔的能源供给，以降低能耗。

请参考图6，基于上述方法，本申请还提供一种物料热处理系统(以下简称系统)，该系统应用上述方法对包含有机物质的待处理物料进行处理。

具体地，该系统包括炉体和施力装置。其中，炉体包括工作腔，工作腔用于放置包含有机物质的待处理物料，该工作腔可以调整为预设工作温度，在预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料。

工作腔的预设工作温度可以调整在300℃～500℃之间，进一步，可以调整在280℃～450℃之间。

施力装置用于向中间物料施力，以剥离中间物料表面的碳化层。本申请对施力装置的具体结构不限。一种实施例，施力装置可以设置成按固定转速连续转动的施力装置，通过施力装置的连续转动向中间物料施力，对中间物料的表面连续进行碳剥离。

进一步，为了避免中间物料堆积，该系统还可以包括分散装置，分散装置用于在剥离碳化层的过程中，分散中间物料。分散装置可以使中间物料变得松散，使得包裹在物料内部的有机物质有更多机会被裸露出来，并快速受热形成碳化层，进而实现对碳化层的快速剥离。

分散装置可以将中间物料沿迂回路径分散开，这样可以实现碳化层反复、高效地被剥离。分散装置可以采用机械结构，例如拨叉、棘轮等，但不仅限于此。分散装置还可以是声波发生器、电磁波发生器等，通过发射声波、电磁波的方式为中间物料提供动能，以分散中间物料。

此外，当通过剥离介质向中间物料施力这一方式剥离形成于中间物料表面的碳化层时，为了增加剥离介质与中间物料的接触频率，还可以设置动能提供装置，该动能提供装置用于为剥离介质提供动能，使剥离介质在运动的过程中与中间物料频繁接触，加强碳化层的剥离。本申请对动能提供装置的具体结构和动能的形式不做限定。

进一步，该系统还可以包括导料装置，导料装置用于向中间物料前进方向的反方向导料，使工作腔内的中间物料相向碰撞。导料装置可以实现部分中间物料的反向流动，实现相向碰撞。导料装置实现了中间物料之间的相互撞击，由此可以进一步加速碳化层的形成和剥离。

更进一步，该系统还可以包括自动控制装置，自动控制系统用于监测工作腔内的温度和压力，根据监测到的温度数据和压力数据控制加热源。自动控制装置可以包括温度传感器、压力传感器和控制单元，温度传感器和压力传感器用于采集工作腔内的温度和压力数据，并将数据输送给控制单元，控制单元根据温度和压力数据控制加热源释放热能，从而实现对工作腔内温度和压力的自动控制。

一种可选择的实施例中，该系统还包括多个分布式热源和控制单元，多个分布式热源均与控制单元电连接，控制单元根据工作腔的温度数据控制多个分布式热源释放热能。这样，控制单元根据工作腔各段的温度数据控制相应的各个热源释放热能，由此实现了多点控制，确保工作腔的每一段的温度都在预设的工作范围之内。

在图6所示的实施例中，施力装置、分散装置以及导料装置均设置于工作腔内，且连接于炉体。温度传感器、压力传感器设置于工作腔内，控制单元设置于工作腔外，温度传感器、压力传感器分别与控制单元通信连接。

需要指出，虽然图6中示出了热源的数量为5个，但是，本领域技术人员应当理解，热源的数量不仅限于5个，还可以多于5个或少于5个，具体数量可以根据工作腔的尺寸选择，本申请对此不做限定。

下面通过实验数据对比本申请提供的物料热处理方法及系统与现有炉体的关于物料处理的相关参数，请详见表1。

表1

通过分析表1可知，采用本申请提供的物料热处理方法及系统，物料处理量显著提高，相比现有炉体，提高百分比为500％。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (21)

1.一种物料热处理方法，其特征在于，包括：

将包含有机物质的待处理物料放入具有预设工作温度或可调整至预设工作温度的工作腔，在所述预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料；以及向所述中间物料施力，剥离所述中间物料表面的碳化层。

2.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，将所述工作腔的预设工作温度调整至300℃～500℃之间。

3.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，将所述工作腔的预设工作温度调整至280℃～450℃之间。

4.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括：向工作腔内加入催化剂，所述工作腔的预设工作温度范围为230℃～430℃之间。

5.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述向中间物料施力的方式包括：以3～10r/min的速度搅动中间物料。

6.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括分散步骤：在剥离所述碳化层的过程中，分散所述中间物料。

7.根据权利要求6所述的物料热处理方法，其特征在于，在所述分散步骤中，沿着迂回路径分散所述中间物料。

8.根据权利要求6所述的物料热处理方法，其特征在于，在所述分散步骤中，所述分散所述中间物料的方式包括：

接触式，通过机械结构的动作给所述中间物料提供动能，分散中间物料；和/或

非接触式，通过非接触式能量传递方式给所述中间物料提供动能，分散中间物料。

9.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括介质剥离步骤：向所述工作腔内放入剥离介质，通过剥离介质作用于所述中间物料，以剥离中间物料表面的碳化层。

10.根据权利要求9所述的物料热处理方法，其特征在于，在介质剥离步骤中，所述通过剥离介质作用于所述中间物料，包括：搅动剥离介质，使剥离介质运动并与中间物料碰撞，剥离中间物料表面的碳化层，和/或，混合剥离介质与中间物料，通过克服分子间力剥离中间物料表面的碳化层。

11.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括导料步骤：向中间物料前进方向的反方向导料，使中间物料相向碰撞。

12.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括温度控制步骤：设置多点分布式加热源为工作腔加热，控制单元根据工作腔的温度参数实时调控各加热源释放的热能。

13.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述工作腔为无氧工作腔或真空工作腔。

14.根据权利要求13所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括：

无氧和/或真空处理步骤：向所述工作腔内加水、水蒸气或惰性气体，以隔离氧气。

15.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括自动控制步骤；监测所述工作腔内的温度和压力，根据监测到的温度数据和压力数据调整加热源释放的热量、调节腔内压力。

16.根据权利要求1所述的物料热处理方法，其特征在于，所述方法还包括余热利用步骤；搅动从所述工作腔内排出的处理后物料，使所述处理后物料形成环绕所述工作腔的混合流，以将余热传递至工作腔的外壁。

17.一种物料热处理系统，该系统应用上述权利要求1至15任一项所述的方法，其特征在于，所述系统包括：

炉体，包括工作腔，所述工作腔用于放置包含有机物质的待处理物料，所述工作腔被调整至预设工作温度，在所述预设工作温度下，获得表面具有碳化层的中间物料；以及

施力装置，设置于工作腔内，用于向所述中间物料施力，以剥离所述中间物料表面的碳化层。

18.根据权利要求17所述的物料热处理系统，其特征在于，所述系统还包括：用于在剥离所述碳化层的过程中分散所述中间物料的分散装置，所述分散装置设置于工作腔内。

19.根据权利要求17所述的物料热处理系统，其特征在于，当采用剥离介质与所述中间物料撞击这一方式时，所述系统还包括设置于工作腔内的动能提供装置；所述动能提供装置用于搅动剥离介质，使剥离介质在运动的过程与中间物料接触，剥离碳化层。

20.根据权利要求17所述的物料热处理系统，其特征在于，所述系统还包括设置于工作腔内用于向中间物料前进方向的反方向导料的导料装置。

21.根据权利要求17所述的物料热处理系统，其特征在于，所述系统还包括多个分布式热源和控制单元，所述多个分布式热源均与所述控制单元电连接，所述控制单元根据工作腔的温度数据控制所述多个分布式热源释放的热能。

Images