CN112122304A - 一种电、微波复合热裂解装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电、微波复合热裂解装置，包括炉体（1）、电加热系统（3），其特征在于，还包括微波加热系统（2）、出气管（4）、温度检测系统（5）和气氛系统（7）；其中，炉体（1）包括外壳（11）、外保温层（12）、内保温层（13）和耐高温不锈钢内胆（14），炉体（1）从外到内依次是外壳（11）、外保温层（12）、内保温层（13）和耐高温不锈钢内胆（14），炉体（1）前面有开口，在开口处连接有炉门（18）；本发明特别适用于低温时介电常数较低，但随温度升高介电常数增大的有机废弃物微波热解，将电加热作为预加热，缩短升温时间，提高有机物热分解速率。

Description

一种电、微波复合热裂解装置及方法

技术领域

本发明涉及一种有机固体废物热裂解装置及方法，特别是涉及一种在箱式炉中利用微波、电复合加热代替传统单一的电加热或微波加热的箱式复合加热电阻炉。

背景技术

箱式热解炉是一种常见的炉型，形式多样。箱式炉除通常在空气中加热外，还可通气氛和密封抽真空，广泛用于陶瓷、冶金、玻璃、化工、耐火材料、新材料开发、热解等领域的生产及实验，特别是用于环保领域，如污泥、油泥等污染环境的材料的分解。

目前实验室箱式热解炉的加热方式主要是电阻加热或微波加热。传统的箱式炉采用电加热方式对物料进行加热，不仅热滞现象明显，而且加热速度慢、耗散能量多，容易造成物料内部和表面温度分布不均匀。微波加热与电阻辐射加热方式在作用机理上不同，既有热效应也有非热效应，加热均匀、高效快速、易于控制并对物料具有选择性的特点。微波加热时，介电常数是影响物料吸波特性的主要参数，特别是对低温下吸波特性差的物料，通过电加热提高其介电常数后再进行微波加热，吸波特性显著提高。例如含油污泥热解，在低温时微波加热升温较为缓慢，如果先用电辐射加热至一定温度后再切换至微波加热，能够迅速将温度升至反应温度，极大的缩短反应时间。

中国专利CN 105222599A采用石墨板做内胆，可以利用石墨优异的导热性，但是在热解油泥、污泥等有机物时，产生的有机气体容易进入到石墨空隙中造成保温材料腐蚀。

发明内容

本发明的目的是提供一种电、微波复合热裂解装置及方法,特别是一种加热温度低，反应速度快，加热匹配性能好、能量效率高、加热协同效果好的电、微波复合加热箱式炉。

一种电、微波复合热裂解装置，包括炉体1、电加热系统3，其特征在于，还包括微波加热系统2、出气管4、温度检测系统5和气氛系统7；

其中，炉体1包括外壳11、外保温层12、内保温层13和耐高温不锈钢内胆14，炉体1从外到内依次是外壳11、外保温层12、内保温层13和耐高温不锈钢内胆14，炉体1前面有开口，在开口处连接有炉门18；

电加热系统3包括多个电阻加热元件31，多个电阻加热元件31嵌入内保温层13中,多个电阻加热元件31都与电源连接；

炉门18包括钢制箱式面板181，钢制箱式面板181内填充有陶瓷保温棉182，在钢制箱式面板181的内侧连接有内部填充有保温材料的不锈钢方型挡板183，在钢制箱式面板181内侧四周粘连有耐高温硅胶密封圈184；当炉门18合上时，耐高温硅胶密封圈184使炉门18与炉体1密封连接在一起；

在炉体1上部中间位置有通孔，在上壁的通孔内安装有微波加热系统2，微波加热系统2包括微波发射器21和波导22，波导22安装在炉体1上壁的通孔内，波导22上端伸出通孔外，并通过连接法兰23与微波发射器21连接在一起；

出气在炉体1上部还设有出气口19，出气口19连接有出气管4，出气管4包括内出气管41和外出气管42，出气口19内设有内出气管41，出气管41通过微波抑制法兰43与外出气管42连接；

气氛系统7的进气管71穿过炉体1侧壁进入炉体1的炉膛16内；

在炉体1的炉膛16内设有物料台6，物料台6上放置有钢制容器10；

物料温度热电偶51穿过炉体1的左侧炉壁连接到钢制容器10内；炉温热电偶52穿过炉体1的右侧炉壁伸到炉膛16内。

在波导22下端的通孔处装有隔挡挥发物质的透波防污染隔板24。

所述的电阻加热元件31是电阻丝或电加热棒。

所述的在炉门18与炉膛16连接部位及炉门18的各进、出气口、测温孔的结构内设有微波抑制片。

所述的电阻丝镶在所述炉膛内顶部和底部的耐火材料里的外侧卡槽里，离不锈钢内胆外侧有5～10mm。

一种电、微波复合热裂解方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、将物料放入权利要求1所述的一种电、微波复合热裂解装置内的载物台6的钢制容器10内；将物料温度热电偶51的端头插入物料中；关闭炉门18；

步骤二、出气管4向外抽出炉膛16的空气，使炉膛16内的达到真空状态；

步骤三、开启电加热系统3，使电阻加热元件31加热；同时记录物料温度热电偶51测量的物料温度；当物料温度热电偶51测量的物料温度达到设定温度T1时，关闭电加热系统3；

步骤四、在关闭电加热系统3的同时，开启微波加热系统2，对物料进行微波加热，当物料温度热电偶51测量的物料温度达到设定温度T2时，关闭微波加热系统2；

步骤五、通过气氛系统7的进气管71向炉膛16内通入惰性气体，并且出气管4向外抽气，直到物料冷却下来，这时气氛系统7的进气管71停止通入气体，出气管4也停止向外抽气。

步骤六、打开炉门18，取出热裂解后的物料，本次工作完成。

其中，步骤三所述的设定温度T1的范围为，0︒C≤T1≤300︒C；步骤四所述的设定温度T2的范围为50︒C≤T2≤800︒C。

也可以，步骤三所述的设定温度T1的范围为，200︒C≤T1≤300︒C；步骤四所述的设定温度T2的范围为500︒C≤T2≤750︒C。

本发明通过电加热和微波加热对物料进行加热或热解，特别是油污泥等低温下吸波特性差的物料，用本发明可以快速加热且节约能源，且物料受热均匀。本发明克服了现有技术仅用电加热造成的物料内部温度不均匀的问题，也克服了仅微波加热物料在低温时物料吸波特性差，微波加热时间长，且浪费能源的问题。本发明还通过气氛系统，使物料在加热是示被氧化，在热解后可以迅速降温。

发明优势：

1.本发明电加热和微波加热可独立或同时运行，满足多种加热和升温模式。

2.本发明炉腔采用耐高温不锈钢内胆，既能反射微波又具有优异的导热性能，隔绝微波对加热元件的影响。

3.本发明特别适用于低温时介电常数较低，但随温度升高介电常数增大的有机废弃物微波热解，将电加热作为预加热，缩短升温时间，提高有机物热分解速率。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、本发明实施例一的结构示意图；

图3、本发明实施例一炉门18结构示意图；

图4、图3之A—A剖视图；

图5、本发明气氛系统结构示意图。

1为炉体，2为微波加热系统，3为电加热系统，4为出气管，5为温度检测系统，6为物料台，7为气氛系统，10为钢制容器，11为外壳，12为外保温层，13为内保温层，14为耐高温不锈钢内胆，16为炉膛，18为炉门，19为出气口，21为微波发射器，22为波导，23为连接法兰，31为电阻加热元件，41为内出气管，42为外出气管，43为微波抑制法兰，51为物料温度热电偶，52为炉温热电偶，181为钢制箱式面板，182为陶瓷保温棉，183为不锈钢方型挡板，184为耐高温硅胶密封圈。

具体实施方式：

一种电、微波复合热裂解装置，包括炉体1、电加热系统3，其特征在于，还包括微波加热系统2、出气管4、温度检测系统5和气氛系统7；

其中，炉体1包括外壳11、外保温层12、内保温层13和耐高温不锈钢内胆14，炉体1从外到内依次是外壳11、外保温层12、内保温层13和耐高温不锈钢内胆14，炉体1前面有开口，在开口处连接有炉门18；

电加热系统3包括多个电阻加热元件31，多个电阻加热元件31嵌入内保温层13中,多个电阻加热元件31都与电源连接；

炉门18包括钢制箱式面板181，钢制箱式面板181内填充有陶瓷保温棉182，在钢制箱式面板181的内侧连接有内部填充有保温材料的不锈钢方型挡板183，在钢制箱式面板181内侧四周粘连有耐高温硅胶密封圈184；当炉门18合上时，耐高温硅胶密封圈184使炉门18与炉体1密封连接在一起；

在炉体1上部中间位置有通孔，在上壁的通孔内安装有微波加热系统2，微波加热系统2包括微波发射器21和波导22，波导22安装在炉体1上壁的通孔内，波导22上端伸出通孔外，并通过连接法兰23与微波发射器21连接在一起；

出气在炉体1上部还设有出气口19，出气口19连接有出气管4，出气管4包括内出气管41和外出气管42，出气口19内设有内出气管41，出气管41通过微波抑制法兰43与外出气管42连接；

气氛系统7的进气管71穿过炉体1侧壁进入炉体1的炉膛16内；

在炉体1的炉膛16内设有物料台6，物料台6上放置有钢制容器10；

物料温度热电偶51穿过炉体1的左侧炉壁连接到钢制容器10内；炉温热电偶52穿过炉体1的右侧炉壁伸到炉膛16内。

在波导22下端的通孔处装有隔挡挥发物质的透波防污染隔板24。

所述的电阻加热元件31是电阻丝或电加热棒。

所述的在炉门18与炉膛16连接部位及炉门18的各进、出气口、测温孔的结构内设有微波抑制片。

所述的电阻丝镶在所述炉膛内顶部和底部的耐火材料里的外侧卡槽里，离不锈钢内胆外侧有5~10mm。

一种电、微波复合热裂解方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、将物料放入权利要求1所述的一种电、微波复合热裂解装置内的载物台6的钢制容器10内；将物料温度热电偶51的端头插入物料中；关闭炉门18；

步骤二、出气管4向外抽出炉膛16的空气，使炉膛16内的达到真空状态；

步骤三、开启电加热系统3，使电阻加热元件31加热；同时记录物料温度热电偶51测量的物料温度；当物料温度热电偶51测量的物料温度达到设定温度T1时，关闭电加热系统3；

步骤四、在关闭电加热系统3的同时，开启微波加热系统2，对物料进行微波加热，当物料温度热电偶51测量的物料温度达到设定温度T2时，关闭微波加热系统2；

步骤五、通过气氛系统7的进气管71向炉膛16内通入惰性气体，并且出气管4向外抽气，直到物料冷却下来，这时气氛系统7的进气管71停止通入气体，出气管4也停止向外抽气。

步骤六、打开炉门18，取出热裂解后的物料，本次工作完成。

其中，步骤三所述的设定温度T1的范围为，0︒C≤T1≤300︒C；步骤四所述的设定温度T2的范围为50︒C≤T2≤800︒C。

也可以，步骤三所述的设定温度T1的范围为，200︒C≤T1≤300︒C；步骤四所述的设定温度T2的范围为500︒C≤T2≤750︒C。

为了解决上述技术问题，本发明采用的微波、复合加热箱式炉包括炉体、保温结构、电加热系统、微波加热系统、气氛系统、微波冷却系统、测温与控制系统及载物台。炉膛采用不锈钢焊接而成，将电加热元件与微波场隔离，避免微波泄漏和对发热元件的影响，炉膛内壁顶部安装有微波溃口，底部设有载物区，炉墙顶部和底部（也可以是双侧）耐高温不锈钢板背面的耐火砖嵌有电阻发热原件。炉腔内可根据反应气氛的需要，经进气管通入所需气氛，并通过出气管排气或抽真空。炉温及物料温度采用专用热电偶测定并反馈到测温与控制系统。在炉门与炉膛连接部位、进/出气口、测温孔的结构内设有微波抑制片。

箱式炉体由炉门、炉膛及保温材料组成。炉门为单门侧开式，采用门体联锁开关，开门断电的炉门防护，门锁采用多点手轮旋转方式锁紧机构，可以同时对门四周均匀锁紧。炉门与炉膛端面设有陶瓷保温棉，并在保温棉上盖有耐高温不锈钢板，并在炉门四周嵌有耐高温的硅胶密封圈。

炉膛采用耐高温不锈钢板制作，围成加热及热风循环腔体，提高温度均匀性。炉膛内壁的保温结：采用陶瓷保温棉和耐火砖作为炉衬，耐火砖紧贴在耐高温的不锈钢腔体外侧。

所述电阻加热元件为电阻丝或电加热棒。

所述的电阻丝镶在所述炉膛内顶部和底部的耐火材料里的外侧卡槽里，离不锈钢内胆外侧有5~10mm。

复合加热部分由电加热和微波加热两部分组成，可根据操作需求独立或同时开启电加热模式和微波加热模式，电加热为电阻丝加热；嵌入于内保温材料的顶部和底部的电阻加热器电路相互独立，由控制系统单独控制。使用时可根据加热需求独立开启或同时开启。

微波加热是靠多模腔微波能馈入口加热，采用微波裂缝天线馈入微波能，所述的微波裂缝天线在炉腔顶部位置垂直辐照载物台上容器内的物料。

气氛系统是安装于炉体底部的进气口及Y型管路和炉体顶部的排气口及管路组成的系统。通过进气口通入各种保护性气体，满足物料在炉体内各种反应的气氛需求。封闭炉门，借助真空泵，可通过进、出气口阀门的开合，实现炉膛的真空状态。

所述测温与控制系统由智能程序温控仪、电阻加热控制器和微波功率控制器组成，控制和监测炉内温度和物料温度，调整微波、电加热功率。

炉内温度测量是通过安装在炉膛内部的热电偶测得，热电偶采用特殊材料，避免微波对热电偶及传输信号产生干扰。

物料温度测量是通过安装在炉体侧面测温孔内的柔性热电偶插入物料内部测得，热电偶端头与炉体采用螺纹连接，并装有微波抑制片。

所述热电偶为K型热电偶。

电阻加热控制器具有过载保护和短路保护，可根据加热需要启/停各电阻丝加热器。

微波功率控制器可根据加热功率需要调节微波输出功率的大小。

控制系统通过温控仪和PLC，在设定的温度曲线上自动控制微波源的微波能馈入，实现磁控管水冷却自动超温报警和实时数据的存储与导出。

所述的微波能馈入系统的冷却系统是磁控管的进口端通过进水支路和供水泵与进水主管连接，所述的磁控管的出口端通过回水支路和回水泵与回水主管连接，所述的回水主管与冷却塔连接。

结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，本发明提供一种电、微波复合加热箱式热解装置，包括炉体1，微波加热系统2，出气口4，电加热系统3、物料台6，气氛系统7，保温系统，测温与控制系统。炉体1由外壳11、外保温材料12、内保温材料13、耐高温不锈钢内胆14组成。耐高温不锈钢内胆14将炉膛16与内保温材料13和电加热系统3隔离，避免微波对加热元件的影响，电加热系统3嵌入内保温材料，避免加热电阻丝与不锈钢内胆14接触造成短路，电加热系统由电阻丝或电加热棒组成。

微波系统2位于炉体1的顶部，进/出气口，测温孔等结构内设有微波抑制法兰、波导3，在微波溃口装有隔挡挥发物质的透波防污染隔板24，有效的避免挥发物质对微波系统2的污染，防止挥发物质损坏微波系统2，提高设备运行可靠性。

炉膛16可通过气氛系统7通入所需的气氛，并通过排气管4排气或抽真空。炉膛16正中间防止载物台6，实验时热解物料放置在钢制容器10内。

通过测温和控制系统可及时知道炉温热电偶52和物料温度热电偶51的温度，并及时调整电加热系统3和微波加热系统2的加热功率，控制反应温度。

图3所述的炉门18的钢制箱式面板181内部嵌有陶瓷保温棉182，利用填充有保温材料的不锈钢方型挡板183安装在炉门18内壁的钢制箱式面板181上做隔热炉门砖用，关闭炉门时，炉门18上的不锈钢挡板181与炉膛16端面刚好吻合，在炉门四周嵌入一定厚度的耐高温硅胶密封圈184，保证炉内气体不向外扩散。

微波冷却系统采用风冷或/和水冷却。

Claims (8)

1.一种电、微波复合热裂解装置，包括炉体（1）、电加热系统（3），其特征在于，还包括微波加热系统（2）、出气管（4）、温度检测系统（5）和气氛系统（7）；

其中，炉体（1）包括外壳（11）、外保温层（12）、内保温层（13）和耐高温不锈钢内胆（14），炉体（1）从外到内依次是外壳（11）、外保温层（12）、内保温层（13）和耐高温不锈钢内胆（14），炉体（1）前面有开口，在开口处连接有炉门（18）；

电加热系统（3）包括多个电阻加热元件（31），多个电阻加热元件（31）嵌入内保温层（13）中,多个电阻加热元件（31）都与电源连接；

炉门（18）包括钢制箱式面板（181），钢制箱式面板（181）内填充有陶瓷保温棉（182），在钢制箱式面板（181）的内侧连接有内部填充有保温材料的不锈钢方型挡板（183），在钢制箱式面板（181）内侧四周粘连有耐高温硅胶密封圈（184）；当炉门（18）合上时，耐高温硅胶密封圈（184）使炉门（18）与炉体1）密封连接在一起；

在炉体（1）上部中间位置有通孔，在上壁的通孔内安装有微波加热系统（2），微波加热系统（2）包括微波发射器（21）和波导（22），波导（22）安装在炉体（1）上壁的通孔内，波导（22）上端伸出通孔外，并通过连接法兰（23）与微波发射器（21）连接在一起；

出气在炉体（1）上部还设有出气口（19），出气口（19）连接有出气管（4），出气管（4）包括内出气管（41）和外出气管（42），出气口（19）内设有内出气管（41），出气管（41）通过微波抑制法兰（43）与外出气管（42）连接；

气氛系统（7）的进气管（71）穿过炉体（1）侧壁进入炉体（1）的炉膛（16）内；

在炉体（1）的炉膛（16）内设有物料台（6），物料台（6）上放置有钢制容器（10）；

物料温度热电偶（51）穿过炉体（1）的左侧炉壁连接到钢制容器（10）内；炉温热电偶（52）穿过炉体（1）的右侧炉壁伸到炉膛（16）内。

2.根据权利要求1所述的一种电、微波复合热裂解装置，其特征在于，在波导（22下端的通孔处装有隔挡挥发物质的透波防污染隔板（24）。

3.根据权利要求1或2所述的一种电、微波复合热裂解装置，其特征在于，所述的电阻加热元件（31）是电阻丝或电加热棒。

4.根据权利要求1或2所述的一种电、微波复合热裂解装置，其特征在于，所述的在炉门（18）与炉膛（16）连接部位及炉门（18）的各进、出气口、测温孔的结构内设有微波抑制片。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种电、微波复合热裂解装置，其特征在于，所述的电阻丝镶在所述炉膛内顶部和底部的耐火材料里的外侧卡槽里，离不锈钢内胆外侧有5~10mm。

6.一种电、微波复合热裂解方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、将物料放入权利要求1所述的一种电、微波复合热裂解装置内的载物（台6的钢制容器（10）内；将物料温度热电偶（51的端头插入物料中；关闭炉门（18）；

步骤二、出气管（4）向外抽出炉膛（16）的空气，使炉膛（16）内的达到真空状态；

步骤三、开启电加热系统（3），使电阻加热元件（31）加热；同时记录物料温度热电偶（51测量的物料温度；当物料温度热电偶（51）测量的物料温度达到设定温度T1时，关闭电加热系统（3）；

步骤四、在关闭电加热系统（3）的同时，开启微波加热系统（2），对物料进行微波加热，当物料温度热电偶（51）测量的物料温度达到设定温度T2时，关闭微波加热系统（2）；

步骤五、通过气氛系统（7）的进气管（71）向炉膛（16）内通入惰性气体，并且出气管（4）向外抽气，直到物料冷却下来，这时气氛系统（7）的进气管（71）停止通入气体，出气管（4）也停止向外抽气；

步骤六、打开炉门（18），取出热裂解后的物料，本次工作完成。

7.根据权利要求6所述的一种电、微波复合热裂解方法，其特征在于，步骤三所述的设定温度T1的范围为，0︒C≤T1≤300︒C；步骤四所述的设定温度T2的范围为50︒C≤T2≤800︒C。

8.根据权利要求6所述的一种电、微波复合热裂解方法，其特征在于，步骤三所述的设定温度T1的范围为，200︒C≤T1≤300︒C；步骤四所述的设定温度T2的范围为500︒C≤T2≤750︒C。

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