CN112934941A - 一种内外加热一体化土壤热脱附装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内外加热一体化土壤热脱附装置，包括用于沿轴向输送土壤的内筒以及设置在内筒外部的外壳，内筒外壁与外壳内壁之间形成腔体，腔体内沿轴向设有多个隔板，隔板将腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱、二级分配箱、三级分配箱……末级分配箱；初级分配箱与燃烧烟气连通，相邻两分配箱之间通过若干联通管实现烟气连通，每根联通管的进烟口、出烟口分别位于相邻两分配箱对应的内筒壁上，且联通管位于内筒内部，从而使烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经联通管进入下一级分配箱，最终达到末级分配箱。本发明采用对土壤内外同时加热的方式，大大提高了土壤的升温速率，可以显著提高热脱附装置的单位处理量。

Description

一种内外加热一体化土壤热脱附装置

技术领域

本发明涉及污染土壤修复技术领域，尤其是一种内外加热一体化土壤热脱附装置。

背景技术

目前，有机污染土壤修复技术主要分为物理修复、化学修复和生物修复三类以及基于以上技术的联合修复技术。其中热脱附修复技术是异位脱附最有效的方法之一，利用对污染土壤进行加热的方式使其中的有机污染物挥发，具有污染物去除效率高、修复周期短、适用范围广、工艺原理简单等优点。

现有的热脱附装置通常采用外热式回转窑结构，加热装置布置在窑体外，通过热烟气接触圆形窑体壁面从而间接加热内部的土壤。这种结构往往存在两方面问题，一方面由于回转窑内固体颗粒自身的流动结构特点，在壁面附近存在物料径向混合不佳现象，容易形成死区，这样很难把烟气热量顺利传递至物料中心，影响热脱附效率。另一方面，在回转窑轴向上很难实现土壤移动速度与加热速率的相互匹配，容易形成过脱附和欠脱附现象。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种内外加热一体化土壤热脱附装置，从而解决了热脱附效率低的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种内外加热一体化土壤热脱附装置，包括用于沿轴向输送土壤的内筒以及设置在所述内筒外部的外壳，所述内筒外壁与所述外壳内壁之间形成腔体，所述腔体内沿轴向设有多个隔板，所述隔板将所述腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱、二级分配箱、三级分配箱……末级分配箱；

所述初级分配箱与燃烧烟气连通，相邻两分配箱之间通过若干联通管实现烟气连通，每根联通管的进烟口、出烟口分别位于相邻两分配箱对应的内筒壁上，且所述联通管位于所述内筒内部，从而使烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经所述联通管进入下一级分配箱，最终达到所述末级分配箱。

其进一步技术方案为：

从二级分配箱开始，两两为一组，每组分配箱内设有若干循环管，每个循环管穿过所述隔板，形成封闭环形热管结构，管内填充导热油。

所述循环管包括分别位所述内筒外部、内部的筒外段、筒内段，以及将所述筒外段和筒内段的两端分别连接起来的上游段和下游段；所述上游段、下游段分别穿过相邻分配箱所对应的内筒壁，所述筒外段从隔板中穿过。

所述筒内段沿与所述内筒轴线成2-5°角方向向下倾斜，所述上游段、下游段分别与所述内筒壁垂直，所述筒外段与所述内筒轴向平行。

对于设置了循环管的相邻两分配箱之间连接的联通管，其进烟口位于所述上游段的下游，出烟口则位于所述下游段的上游。

设置在每组分配箱内的若干循环管沿内筒圆周均匀分布；连接在相邻两分配箱之间的若干联通管沿内筒圆周均匀分布，每根联通管包括与所述内筒轴线平行的平行段、平行段两端垂向延伸分别与所述进烟口、出烟口连接的折弯段；处于同一横截面上的所述循环管与联通管沿圆周交叉间隔分布。

所述内筒的内壁上均匀设有颗粒状凸起，形状为半圆形或球冠状。

隔板将所述腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱、二级分配箱、三级分配箱……末级分配箱及汇合箱，所述末级分配箱和所述汇合箱之间也通过若干所述联通管实现烟气连通，烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经所述联通管进入下一级分配箱，最终达到所述末级分配箱，所述汇合箱对应的外壳上设有排烟口；

所述外壳的靠近初级分配箱的一端设有与内筒进料端连通、供土壤进料的进料斗，其顶部设有进料口；所述外壳的靠近汇合箱的一端设有与所述内筒出气端连通、用于排放气态污染物的排气口；

所述外壳下方设有冷却器、加热器和燃烧室，所述冷却器与内筒出料端连通、用于冷却修复后的土壤，所述加热器利用从所述排烟口排出烟气的余热对送入所述燃烧室的空气进行加热。

所述冷却器、加热器共用外壳体，其通过中间分隔件分隔成两个空间，若干换热管穿过所述分隔件，同时设置在所述冷却器、加热器对应的空间内，所述加热器对应的所述外壳体上设有与所述排烟口连通的烟气进口、与烟气进口相对设置的烟气出口；所述换热管靠近冷却器的一端为冷空气入口，靠近加热器的一端为热空气出口；所述冷却器底部设有出料口。

所述冷却器一端设有与各换热管的冷空气入口连通进气口，所述加热器一端对应的设有与各换热管的热空气出口连通的出气口，所述出气口与所述燃烧室外安装的燃烧器入口连接，所述燃烧室的出口与所述初级分配箱入口连通。

本发明的有益效果如下：

本发明采用对土壤内外同时加热的方式，大大提高了土壤的升温速率，可以显著提高热脱附装置的单位处理量。间接加热土壤后的热烟气的余热被用于加热燃烧风，实现了热量的梯级利用。具体地，本发明还具有如下优点：

1.本发明的内筒和外壳之间的空间通过隔板分成多分配箱，相邻分配箱之间通过联通管联通，由此形成的烟气流动路径既覆盖了内筒表面，又延展到了筒内，实现了从筒体内、外加热土壤颗粒，大大提高了土壤的升温速率，可以显著提高热脱附装置的单位处理量。

2.本发明的循环管，横跨相邻两个分配箱，管内充满导热油，该结构不仅增加了传热面积，而且提高了传热的均匀性，可以将烟气的过剩热量自发传递至欠热量区域，提高土壤热脱附温度场的均匀性。

3.本发明的内筒内壁面上设置了凸起结构，一方面颗粒增大传热面积，强化传热过程，另一方面可以防止土壤粘附在筒体表面，降低土壤过热现象的发生概率。

4.本发明的余热回收系统将修复后土壤和热烟气的热量用于加热燃烧风，不仅提高烟气热量的利用率，实现了余热的回收利用，而且降低了修复后土壤和烟气的排放温度，提高了整套装置的热利用率。

5、本发明为一体式结构，有利于设备的模块化快速组装，便于整体设备的异地移动，可以为土壤异位修复工程节约时间成本。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为本发明的沿内筒横截面的剖视结构示意图。

图3为本发明联通管及循环管的部分安装结构示意图。

图中：1、进料口；2、进料斗；3、初级分配箱；4、一级进烟口；5、隔板；6、二级分配箱；7、二级出烟口；8、二级进烟口；9、循环管；10、三级分配箱；11、外壳；12、内筒；13、汇合箱；14、排烟口；15、排气口；16、燃烧室；17、燃烧器；18、出气口；19、加热器；20、换热管；21、出料口；22、冷却器；23、进气口；24、联通管；25、烟气进口；26、烟气出口；91、上游段；92、筒内段；93、筒外段；94、下游段；241、平行段；242、折弯段。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的内外加热一体化土壤热脱附装置，包括用于沿轴向输送土壤的内筒12以及设置在内筒12外部的外壳11，内筒12外壁与外壳11内壁之间形成供烟气流通的腔体，腔体内沿轴向设有多个隔板5，隔板5将腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱3、二级分配箱6、三级分配箱10……末级分配箱；初级分配箱3与燃烧烟气连通，相邻两分配箱之间通过若干联通管24实现烟气连通，每根联通管24的进烟口、出烟口分别位于相邻两分配箱对应的内筒12壁上，且联通管24位于内筒12内部，从而使烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经联通管24进入下一级分配箱，最终达到末级分配箱。

上述实施例中，分配箱的增序排列方向与土壤输送方向一致。

上述实施例中，从二级分配箱6开始，两两为一组，每组分配箱内设有若干循环管9，每个循环管9穿过隔板5，形成封闭环形热管结构，管内填充导热油。

上述实施例中，如图2和图3所示，循环管9包括分别位内筒12外部、内部的筒外段93、筒内段92，以及将筒外段93和筒内段92的两端分别连接起来的上游段91和下游段94；上游段91、下游段94分别穿过相邻分配箱所对应的内筒12壁，筒外段93从隔板5中穿过。

具体地，筒内段92沿与内筒12轴线成2-5°角方向向下倾斜，上游段91、下游段94分别与内筒12壁垂直，筒外段93与内筒12轴向平行。

如图3所示，分配箱及联通管24中烟气流向、循环管9中导热油流向分别如图中带箭头曲线段、带箭头直线段所示。

对于设置了循环管9的相邻两分配箱之间连接的联通管24，其进烟口位于上游段91的下游，出烟口则位于下游段94的上游，使得循环管9和与其相邻的联通管24沿轴向间隔合适的距离。

作为优选形式，设置在每组分配箱内的若干循环管9沿内筒12圆周均匀分布；

作为优选形式，连接在相邻两分配箱之间的若干联通管24沿内筒12圆周均匀分布，每根联通管24包括与内筒12轴线平行的平行段241、平行段241两端垂向延伸分别与进烟口、出烟口连接的折弯段242；

作为优选形式，如图2所示，处于同一横截面上的循环管9与联通管24沿圆周交叉间隔分布。确保循环管9和与其相邻的联通管24沿周向间隔合适的距离。

作为优选形式，内筒12内壁面上布置颗粒状凸起，形状为半圆形或球冠状。凸起一方面可增大传热面积，强化传热过程，另一方面可以防止土壤粘附在筒体表面，降低土壤过热现象的发生概率。

作为一种具体形式，内筒12可设置为中空柱形，在外壁面上沿轴向从一端到另一端，每隔500～2000mm设置隔板5，隔板5为环形，内径等于内筒12的外径，外径略小于外壳11的内径。如图1所示，初级分配箱3对应的内筒12上沿周向均匀布置n个一级进烟口4，二级分配箱6对应的内筒12上沿周向均匀布置n个二级出烟口7和二级进烟口8，如图3所示，每个二级出烟口7分别通过联通管24与初级分配箱3的一级进烟口4相连。三级分配箱10对应的内筒上沿周向均匀布置n个三级出烟口和三级进烟口，每个三级出烟口分别通过联通管24与二级分配箱的二级进烟口8相连；同时，n个循环管9穿过隔板5，沿周向均匀布置在二级分配箱6和三级分配箱10的内筒12上。其中，n为大于等于2的自然数，其上限值根据内筒12尺寸和实际换热需求确定。

上述具体形式中，联通管24的平行段241与内筒12轴线平行，布置在内筒12内壁附近，中心线距离筒壁80～200mm，平行段241的两端折弯90°形成折弯段242后，分别与前一级分配箱的进烟口和后一级分配箱的出烟口相连。

上述具体形式中，内筒12内壁面上的颗粒状凸起，半径为3～10mm，密度为500～2000个/m²。

上述具体形式中，循环管9为钢管封闭而成，上游段91、筒内段92，下游段94和筒外段93构成直角梯形，上游段91从上级分配箱内垂直穿过内筒12壁面进入筒内，筒内段92沿轴向与内筒轴线呈2～5°，下游段94从筒内垂直穿过内筒12壁面进入后一级分配箱，筒外段93与内筒12轴线平行，并穿过隔板5，从而形成一般在上级分配箱另一半在下级分配箱内的结构。

烟气在联通管24和分配箱之间成“S”形或“蛇形”路径流动，可以同时对内筒12内部和内筒12外部加热，从而实现对内筒12中输送土壤的内外同时加热，提高加热均匀性以及加热效率。循环管9内导热油在分配箱内吸收烟气热量，由于上级分配箱温度比下级分配箱温度高，导热油在上级分配箱吸收更多热量，同时筒内段92倾斜布置，导致管内导热油依次从上游段91、筒内段92、下游段94到筒外段93进行自然对流循环运动，不断地将烟气热量传递给内筒内的土壤。

上述实施例中，如图1所示，末级分配箱后还设置有汇合箱13，即隔板5将腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱3、二级分配箱6……末级分配箱及汇合箱13，末级分配箱和汇合箱13之间也通过若干联通管24实现烟气连通，烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经联通管24进入下一级分配箱，最终达到末级分配箱，汇合箱13对应的外壳11上设有排烟口14；外壳11的靠近初级分配箱3的一端设有与内筒12进料端连通、供土壤进料的进料斗2，其顶部设有进料口1；外壳11的靠近汇合箱13的一端设有与内筒12出气端连通、用于排放气态污染物的排气口15。

外壳11下方设有冷却器22、加热器19和燃烧室16，冷却器22与内筒12出料端连通、用于冷却修复后的土壤，加热器19利用从排烟口14排出烟气的余热对送入燃烧室16的空气进行加热。

冷却器22、加热器19共用外壳体，其通过中间分隔件分隔成两个空间，若干换热管20穿过分隔件，同时设置在冷却器22、加热器19对应的空间内，如图2所示，加热器19对应的外壳体上设有与排烟口14连通的烟气进口25、与烟气进口25相对设置的烟气出口26。

作为一种具体实施形式，若干根换热管20沿与内筒12轴线平行的轴向分层分列错列布置，一部分放置在加热器内，另一部分放置在冷却器内，加热器和冷却器通过钢板隔开。

具体地，如图1所示，换热管20靠近冷却器22的一端为冷空气入口，靠近加热器19的一端为热空气出口，冷却器22一端设有与各换热管20的冷空气入口连通进气口23，加热器19一端对应的设有与各换热管20的热空气出口连通的出气口18，出气口18与燃烧室16外安装的燃烧器17入口连接，燃烧室16的出口与所述初级分配箱3连通，冷却器22底部设有用于排出修复后土壤的出料口21。

土壤物料、烟气和气态污染物的流向如图1中箭头方向所示。

本发明的工作原理及流程如下：

待修复土壤从进料口1进入进料斗2，然后流入内筒12内，当内筒12转动时，土壤一边作周向运动，一边吸收内筒12壁面、联通管24和循环管9的热量，通过不断吸收热量完成热脱附过程。加热土壤的热量来源于烟气，经过加热器19加热的热空气与燃气与一起通过燃烧器17发生点火燃烧，在燃烧室16内形成火焰，产生高温烟气，在静压力驱动下流入初级分配箱3，在初级分配箱3内，高温烟气将一部分热量加热内筒12壁面后从一级进烟口4流入联通管24，通过联通管24浸入筒内将热量快速传递给土壤，然后烟气从二级出烟口7进入二级分配箱6；在二级分配箱6内，高温烟气将一部分热量加热内筒12壁面，一部分热量加热循环管9的上游段91，换热后经过二级进烟口8流入下一段联通管24，通过联通管24浸入筒内将热量快速传递给土壤，然后烟气从三级出烟口进入三级分配箱10；在三级分配箱10内，高温烟气将一部分热量加热内筒12壁面，一部分热量加热循环管的下游段94，换热后经过三级进烟口流入联通管，通过联通管24浸入筒内将热量快速传递给土壤，然后烟气从三级出烟口进入三级分配箱10。这样，烟气流过各级分配箱后，通过内筒12壁、联通管24和循环管9将热量传递给筒内土壤，最后进入汇合箱13，通过排烟口14排出。为土壤热脱附提供热量后，带余热的烟气从排烟口14通过连接管路由于烟气进口25流入加热器19，通过换热管20将多余热量传递给加热器19内换热管20内的空气，降温后的烟气从烟气出口26排出。脱附过程中产生的气态污染物从排气口15排出。修复后的土壤从内筒12的出料端排出，进入冷却器22，修复后的土壤通过换热管20将多余热量传递给从换热管20一端流入的冷空气，土壤被降温后从出料口21排出，换热管20中的冷空气被加热后，进入加热器19，进一步吸收烟气余热，然后从出气口18输送到燃烧室16用于燃烧反应。

Claims (10)

1.一种内外加热一体化土壤热脱附装置，包括用于沿轴向输送土壤的内筒(12)以及设置在所述内筒(12)外部的外壳(11)，其特征在于，所述内筒(12)外壁与所述外壳(11)内壁之间形成腔体，所述腔体内沿轴向设有多个隔板(5)，所述隔板(5)将所述腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱(3)、二级分配箱(6)、三级分配箱(10)……末级分配箱；

所述初级分配箱(3)与燃烧烟气连通，相邻两分配箱之间通过若干联通管(24)实现烟气连通，每根联通管(24)的进烟口、出烟口分别位于相邻两分配箱对应的内筒(12)壁上，且所述联通管(24)位于所述内筒(12)内部，从而使烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经所述联通管(24)进入下一级分配箱，最终达到所述末级分配箱。

2.根据权利要求1所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，从二级分配箱(6)开始，两两为一组，每组分配箱内设有若干循环管(9)，每个循环管(9)穿过所述隔板(5)，形成封闭环形热管结构，管内填充导热油。

3.根据权利要求2所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，所述循环管(9)包括分别位所述内筒(12)外部、内部的筒外段(93)、筒内段(92)，以及将所述筒外段(93)和筒内段(92)的两端分别连接起来的上游段(91)和下游段(94)；所述上游段(91)、下游段(94)分别穿过相邻分配箱所对应的内筒(12)壁，所述筒外段(93)从隔板(5)中穿过。

4.根据权利要求3所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，所述筒内段(92)沿与所述内筒(12)轴线成2-5°角方向向下倾斜，所述上游段(91)、下游段(94)分别与所述内筒(12)壁垂直，所述筒外段(93)与所述内筒(12)轴向平行。

5.根据权利要求3所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，对于设置了循环管(9)的相邻两分配箱之间连接的联通管(24)，其进烟口位于所述上游段(91)的下游，出烟口则位于所述下游段(94)的上游。

6.根据权利要求3所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，设置在每组分配箱内的若干循环管(9)沿内筒(12)圆周均匀分布；连接在相邻两分配箱之间的若干联通管(24)沿内筒(12)圆周均匀分布，每根联通管(24)包括与所述内筒(12)轴线平行的平行段(241)、平行段(241)两端垂向延伸分别与所述进烟口、出烟口连接的折弯段(242)；处于同一横截面上的所述循环管(9)与联通管(24)沿圆周交叉间隔分布。

7.根据权利要求1所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，所述内筒(12)的内壁上均匀设有颗粒状凸起，形状为半圆形或球冠状。

8.根据权利要求1-7之一所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，隔板(5)将所述腔体沿轴向分隔成依次排列的初级分配箱(3)、二级分配箱(6)、三级分配箱(10)……末级分配箱及汇合箱(13)，所述末级分配箱和所述汇合箱(13)之间也通过若干所述联通管(24)实现烟气连通，烟气以蛇形路径依次从上一级分配箱经所述联通管(24)进入下一级分配箱，最终达到所述末级分配箱，所述汇合箱(13)对应的外壳(11)上设有排烟口(14)；

所述外壳(11)的靠近初级分配箱(3)的一端设有与内筒(12)进料端连通、供土壤进料的进料斗(2)，其顶部设有进料口(1)；所述外壳(11)的靠近汇合箱(13)的一端设有与所述内筒(12)出气端连通、用于排放气态污染物的排气口(15)；

所述外壳(11)下方设有冷却器(22)、加热器(19)和燃烧室(16)，所述冷却器(22)与内筒(12)出料端连通、用于冷却修复后的土壤，所述加热器(19)利用从所述排烟口(14)排出烟气的余热对送入所述燃烧室(16)的空气进行加热。

9.根据权利要求8所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，所述冷却器(22)、加热器(19)共用外壳体，其通过中间分隔件分隔成两个空间，若干换热管(20)穿过所述分隔件，同时设置在所述冷却器(22)、加热器(19)对应的空间内，所述加热器(19)对应的所述外壳体上设有与所述排烟口(14)连通的烟气进口(25)、与烟气进口(25)相对设置的烟气出口(26)；所述换热管(20)靠近冷却器(22)的一端为冷空气入口，靠近加热器(19)的一端为热空气出口；所述冷却器(22)底部设有出料口(21)。

10.根据权利要求9所述的内外加热一体化土壤热脱附装置，其特征在于，所述冷却器(22)一端设有与各换热管(20)的冷空气入口连通进气口(23)，所述加热器(19)一端对应的设有与各换热管(20)的热空气出口连通的出气口(18)，所述出气口(18)与所述燃烧室(16)外安装的燃烧器(17)入口连接，所述燃烧室(16)的出口与所述初级分配箱(3)入口连通。

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