CN219977123U - 一种碳化炉 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种碳化炉,包括炉体,所述炉体上设有一根排气管,所述排气管一端与所述炉体内部连通,另一端与一用于使所述炉体中排出的烟气中的煤焦油冷凝沉降并与烟气分离的缓冲箱,所述排气管上设有用于使所述炉体中排出的烟气中的煤焦油在所述排气管中不冷凝的保温套。本实用新型的碳化炉的炉体中设有带保温套的排气管和缓冲箱,保证了含有煤焦油的烟气在进入缓冲箱前不会冷却形成煤焦油,而是使含煤焦油的烟气均进入缓冲箱中冷凝并与烟气分离。上述碳化炉可以避免出现煅烧生物质材料以及高分子聚合物时产生的煤焦油堵塞炉管现象,影响碳化炉的使用,也有利于烟气的再利用,提高废气利用率低,降低了碳化过程中的能耗。
Description
技术领域
本实用新型属于电池材料制备领域,尤其涉及一种负极材料制备的加热装置。
背景技术
硬碳是一种在微观上呈现为“长程无序,短程有序”的电池负极材料,由于其优秀的储钠以及快速充放电能力,被广泛应用于钠离子电池。目前硬碳材料主要由高分子聚合物以及生物质材料作为原材料制备而成。由于生物质材料以及高分子聚合物以C、H、O等为主要元素,在烧结过程中会产生一定量的二氧化碳以及少量的一氧化碳,这些气体的产生在高温下会影响硬碳材料本身的结构及性能,而二氧化碳以及一氧化碳主要是在200-350℃的低温煅烧过程产生的,因此对原材料进行低温预碳化处理能够有效避免上述问题。
碳材料低温煅烧装置主要以碳化炉为主,如专利CN216192930U、专利CN215480707U等中均公开了一种碳化炉。但现有的碳化炉在处理原材料时,普遍存在的问题主要有以下两点:1、煅烧生物质材料以及高分子聚合物时容易产生煤焦油堵塞炉管,影响碳化炉的使用,含煤焦油的废气利用率低;2、碳化炉加热时炉内温度场分布容易不均匀。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种不易发生煤焦油堵塞炉管现象、废气利用率高、温度场分布均匀的可用于硬碳材料的碳化炉。为解决上述技术问题,本实用新型提出的技术方案为:
一种碳化炉,包括炉体,所述炉体上设有一根排气管,所述排气管一端与所述炉体内部连通,另一端与一用于使所述炉体中排出的烟气中的煤焦油冷凝沉降并与烟气分离的缓冲箱,所述排气管上设有用于使所述炉体中排出的烟气中的煤焦油在所述排气管中不冷凝的保温套。
上述碳化炉中,优选的,所述缓冲箱中设有间隔分布的上挡板与下挡板;所述上挡板的上端与所述缓冲箱的顶部固接,下端与所述缓冲箱的底部之间留有间隔,所述下挡板的下端与所述缓冲箱的底部固接,上端与所述缓冲箱的顶部之间留有间隔;所述上挡板和下挡板上分别设有上挡板冷却水装置和下挡板冷却水装置;所述下挡板底部设有孔洞。经过保温的烟气进入到缓冲箱遇到经冷却水冷却的挡板后,烟气中如煤焦油等在低温冷却的物质会被阻挡在挡板上,沿着挡板流入缓冲箱底部,而气体成分则通过引风机的抽取进入1号废气管中。下挡板底部设有孔洞,沉积在缓冲箱底部的煤焦油等固液态物质可以穿过孔洞向排油管移动,定期打开排油阀放出缓冲箱内部的油状物质。冷却水装置紧贴在挡板上,使挡板始终处于较低的温度,冷却挡板的设置有效分离了烟气中的煤焦油和固体成分,保障了后续气管不被煤焦油堵塞。上述挡板可采用表面呈锯齿状分布的挡板。
上述碳化炉中,优选的,所述排气管上设有抽气阀,所述排气管中在靠近所述炉体处设有用于防止炉体中的物料进入排气管的筛网。上述筛网位于出料管与排气管之间,用于防止煅烧的物料随烟气一同进入缓冲箱中,减少物料的损失。
上述碳化炉中,优选的,所述炉体设于一密封的燃烧室内,所述缓冲箱上连接有一用于烟气排出的1号废气管,所述1号废气管伸入所述燃烧室内,且所述1号废气管位于所述燃烧室内的一端分支成多根支路,各支路的端部设有靠近所述炉体外壁、用于燃烧烟气供热的废气燃烧喷嘴。上述炉体整体位于燃烧室中,不会有明火外露,也便于燃烧废气的处理。正常情况下,烟气顺着1号废气管进入燃烧室中,用于燃烧给炉体供热,实现废气的再利用。
上述碳化炉中,优选的,所述炉体可转动设于所述燃烧室内,且所述废气燃烧喷嘴相对于所述炉体的径向方向倾斜设置。炉体整体位于燃烧室中,废气燃烧喷嘴位于炉体一侧,可倾斜向上设置(如45°角朝上)进行螺旋喷火,废气燃烧喷嘴含有点火装置,可以点燃烟气为炉体进行加热。废气燃烧喷嘴45°设计可以使炉体整体受热均匀,同时由于炉体在碳化过程中处于转动状态,因此能够保证废气燃烧喷嘴的加热不会长时间作用于一点,避免了炉体某一点因长时间处于加热状态下产生老化,延长了炉体的使用寿命,既保证了材料受热均匀,又延长了炉体使用寿命。
上述碳化炉中,优选的,所述燃烧室上连接有一用于烟气排出的3号废气管,所述3号废气管的端部设有废气燃烧室,所述1号废气管与废气燃烧室之间设有一2号废气管。3号废气管位于燃烧室顶部,燃烧室中经废气燃烧喷嘴点燃的烟气会产生新的废气,这部分废气经引风机抽取进入3号废气管通入废气燃烧室中,由于废气燃烧室中的废气为二次点燃产生的废气,较难被点燃,因此需要通入空气协助燃烧,经过废气燃烧室中的废气燃烧装置将废气点燃,产生的热量可以进行利用,生成的二氧化碳可以进行固定处理。当废气量较大时,可以打开旁通阀,使部分烟气通过2号废气管进入废气燃烧室中燃烧。
本实用新型中,炉体内材料煅烧产生的烟气,进入到出料管后开启抽气阀,烟气会顺着带保温套的排气管进入到缓冲箱内。由于产生的烟气中包含材料煅烧产生的煤焦油气态物质,该物质遇冷后会转为煤焦油,煤焦油具有强粘性,在管道中易粘结在管道壁对炉管进行堵塞,因此采用保温套使排气管处于310℃左右温度,保证煤焦油进入到缓冲箱前处于气体状态,避免对炉管的堵塞。从炉体中排出的烟气经过排气管进入缓冲箱,在缓冲箱中实现烟气成分的初步分离后,大部分烟气经风机进入燃烧室,经废气燃烧喷嘴点燃后用于炉体的加热,烟气再次燃烧产生的废气与少量烟气进入废气燃烧室进行二次点燃,点燃产生的热量可以再次利用,可以实现炉体中排出的含煤焦油的烟气的再利用,废气利用率高。本实用新型的碳化炉对碳化过程中产生的烟气进行二次利用,实现了能源的再利用,降低了碳化过程中的能耗。
上述碳化炉中,优选的,所述炉体水平设置,所述炉体的两端分别设有进料管与出料管,所述进料管上连接有上料机构与用于将从所述上料机构中进入所述进料管中的物料推入所述炉体内的推板,所述出料管上设有下料机构,所述排气管设于所述出料管上。上述炉体内可选择设置便于物料移动的螺旋搅拌轴,也可将炉体倾斜设置,便于物料由进料端向出料端移动。
上述碳化炉中,优选的,所述上料机构包括进料漏斗、1号进料阀、螺旋上料管、料仓和2号进料阀,所述进料漏斗通过1号进料阀与所述螺旋上料管的一端连通,所述螺旋上料管的另一端与所述料仓连通,所述料仓通过2号进料阀与所述进料管连通。通过1号进料阀控制开关,可以实现原料的便捷进入。料仓位于进料管中间部位,用于储存添加的原料,控制每次进料的量。通过推板,即可将进料管中的原料推入炉体。
上述碳化炉中,优选的,所述下料机构包括排料连接管、1号螺旋出料管、2号螺旋出料管和碳箱,所述1号螺旋出料管的入口端通过排料连接管与所述出料管连通,所述1号螺旋出料管的出口端与所述2号螺旋出料管的入口端连通,所述2号螺旋出料管的出口端与所述碳箱连通;所述1号螺旋出料管和2号螺旋出料管外壁上分别设有1号螺旋出料冷却水装置和2号螺旋出料冷却水装置;所述碳箱上设有用于吸附碳化物料中磁性杂质的磁吸装置。上述1号螺旋出料冷却水装置和2号螺旋出料冷却水装置能够实现高温物料出料过程的冷却降温,快速对碳材料进行降温有利于提高材料制备效率。上述碳箱用于储存冷却后的碳材料预处理成品,通过放料阀可以将储存的碳材料取出。上述磁吸装置的设置可以吸取制备的碳材料中的磁性杂质,两个磁吸装置可呈脉冲式开启方式,可以实现磁性杂质的定向移动,使磁性杂质进入杂料箱中。
上述碳化炉中,优选的,所述炉体上设有用于惰性气体进入的进气口,所述炉体表面设有用于控制炉体内温度的炉体冷却水装置。冷却水装置位于炉体外表面,用于降低炉体温度,进气口位于炉体内部左侧,用于向炉体内通入惰性气体。
上述碳化炉中,炉体的可转动设置以及密封采用现有常规装置即可。比如密封时包括液压密封装置,液压密封装置与炉体以及出料管连接,液压密封装置包括液压密封圈与连接弹性材料。上述液压密封圈位于出料管一侧,减小了密封面积,同时采用液压密封技术,进一步保证了装置的气密性。连接弹性材料位于炉体连接处,采用弹性材料进行连接有效避免了炉管各部分由于材料热胀冷缩导致破裂。
本实用新型的碳化炉可用于硬碳材料的原料(高分子聚合物以及生物质材料)的预焙烧处理,可以解决现有技术中一般碳化炉都会存在的煤焦油堵塞炉管的现象,典型处理工艺可包括以下步骤:
步骤一:在进料阶段,向进料漏斗中加入适量原材料,材料经螺旋上料管进入料仓中,当料仓中储存至一定量的原材料时,打开2号进料阀使原料进入进料管中,此时启动炉体,使其处于转动状态。
步骤二:在低温碳化阶段,向炉体内部通入气体,该气体为氮气、氩气等惰性气体,气体流速控制在1-3L/min,当炉内气体均为惰性气体后,控制炉体加热至500-800℃,保温1-3h,期间持续开启炉体冷却水装置。在低温碳化过程中,原料会燃烧产生煤焦油气体物质、一氧化碳等气体,打开抽气阀,使产生的烟气经缓冲箱处理后在燃烧室进行燃烧,为炉体碳化供热,实现能源再利用。
步骤三:完成碳化后,打开炉管出料阀,制备好的预处理碳材料随着炉体的转动向出料管中移动,再进入到螺旋出料管中,开启螺旋出料冷却水装置和碳箱内部的磁吸装置,碳材料经过两级螺旋出料管后进入到碳箱中。在预处理碳材料进入碳箱后,其中含有的少量磁性杂质经磁吸装置脉冲磁吸后进入到杂质仓中。制备好的预处理碳材料可以通过打开碳箱底部的放料阀得到,即得到完成低温碳化预处理的硬碳前驱体材料。
与现有技术相比,本实用新型的优点在于:
本实用新型的碳化炉的炉体中设有带保温套的排气管和缓冲箱,保证了含有煤焦油的烟气在进入缓冲箱前不会冷却形成煤焦油,而是使含煤焦油的烟气均进入缓冲箱中冷凝并与烟气分离。上述碳化炉可以避免出现煅烧生物质材料以及高分子聚合物时产生的煤焦油堵塞炉管现象,影响碳化炉的使用,也有利于烟气的再利用,提高废气利用率低,降低了碳化过程中的能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的碳化炉的结构示意图。
图2为图1中排气管与出料管连接处的侧视图。
图例说明:
1、空气通入管;2、料仓;3、2号进料阀;4、进料漏斗;5、1号进料阀;6、螺旋上料管;7、推板;8、进料管;9、2号废气管;10、旁通阀;11、燃烧室;12、炉体;13、废气燃烧喷嘴;14、1号废气管;15、1号引风机;16、气阀;17、放油阀;18、排油管;19、上挡板冷却水装置;20、上挡板;21、下挡板冷却水装置;22、下挡板;23、缓冲箱;24、排气管;25、保温套;26、1号螺旋出料冷却水装置;27、1号螺旋出料管;28、2号螺旋出料冷却水装置;29、2号螺旋出料管;30、放料阀;31、碳箱;32、磁吸装置;33、炉管出料阀;34、排料连接管;35、出料管;36、筛网;37、抽气阀;38、液压密封圈;39、连接弹性材料;40、炉体冷却水装置;41、3号废气管;42、进气口;43、2号引风机;44、废气燃烧室。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型,下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述,但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本实用新型的保护范围。
除非另有特别说明,本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例:
如图1和图2所示,本实施例的碳化炉,包括炉体12,炉体12上设有一根排气管24,排气管24一端与炉体12内部连通,另一端与一用于使炉体12中排出的烟气中的煤焦油冷凝沉降并与烟气分离的缓冲箱23,排气管24上设有用于使炉体12中排出的烟气中的煤焦油在排气管24中不冷凝的保温套25。
本实施例中,缓冲箱23中设有间隔分布的上挡板20与下挡板22;上挡板20的上端与缓冲箱23的顶部固接,下端与缓冲箱23的底部之间留有间隔,下挡板22的下端与缓冲箱23的底部固接,上端与缓冲箱23的顶部之间留有间隔;上挡板20和下挡板22上分别设有上挡板冷却水装置19和下挡板冷却水装置21;下挡板22底部设有孔洞。缓冲箱23底部设有放油阀17和排油管18,用于排出缓冲箱23内冷凝得到的煤焦油等物质。
本实施例中,排气管24上设有抽气阀37,排气管24中在靠近炉体12处设有用于防止炉体12中的物料进入排气管24的筛网36。
本实施例中,炉体12设于一密封的燃烧室11内,缓冲箱23上连接有一用于烟气排出的1号废气管14,1号废气管14伸入燃烧室11内,且1号废气管14位于燃烧室11内的一端分支成多根支路,各支路的端部设有靠近炉体12外壁、用于燃烧烟气供热的废气燃烧喷嘴13。上述1号废气管14上设置有1号引风机15,且1号废气管14与缓冲箱23连接处设有气阀16。
本实施例中,炉体12可转动设于燃烧室11内,且废气燃烧喷嘴13相对于炉体12的径向方向倾斜45°角朝上设置。
本实施例中,燃烧室11上连接有一用于烟气排出的3号废气管41,3号废气管41的端部设有废气燃烧室44,1号废气管14与废气燃烧室44之间设有一2号废气管9,1号废气管14和2号废气管9连通处设有旁通阀10。上述3号废气管41中可设置2号引风机43,废气燃烧室44上连接有空气通入管1,以便于废气的燃烧。
本实施例中,炉体12水平设置,炉体12的两端分别设有进料管8与出料管35,进料管8上连接有上料机构与用于将从上料机构中进入进料管8中的物料推入炉体12内的推板7,出料管35上设有下料机构,排气管24设于出料管35上。
本实施例中,上料机构包括进料漏斗4、1号进料阀5、螺旋上料管6、料仓2和2号进料阀3,进料漏斗4通过1号进料阀5与螺旋上料管6的一端连通,螺旋上料管6的另一端与料仓2连通,料仓2通过2号进料阀3与进料管8连通。
本实施例中,下料机构包括排料连接管34、1号螺旋出料管27、2号螺旋出料管29和碳箱31,1号螺旋出料管27的入口端通过排料连接管34与出料管35连通,1号螺旋出料管27的出口端与2号螺旋出料管29的入口端连通,2号螺旋出料管29的出口端与碳箱31连通;1号螺旋出料管27和2号螺旋出料管29外壁上分别设有1号螺旋出料冷却水装置26和2号螺旋出料冷却水装置28;碳箱31上设有用于吸附碳化物料中磁性杂质的磁吸装置32。上述排料连接管34上可设置炉管出料阀33,碳箱31底部设置放料阀30。
本实施例中,炉体12上设有用于惰性气体进入的进气口42,炉体12表面设有用于控制炉体12内温度的炉体冷却水装置40。
本实施例中,炉体12的可转动设置以及密封采用现有常规装置即可。比如密封时包括液压密封装置,液压密封装置包括液压密封圈38与连接弹性材料39。
为了更好的理解本实施例的碳化炉,本实施例还提供典型处理工艺,可包括以下步骤:
试验所用原料为生物质椰壳材料,碳含量达60%,主要物相为有机高分子长链,直接进行高温煅烧处理,其得到硬碳材料微孔较多,比表面积较大,为235.45m2/g,电化学性能较低,首次库伦效率为62%,首次可逆比容量为201.3mAh/g,需要低温碳化制备前驱体。低温碳化处理具体如下:
将生物质椰壳材料加入到进料漏斗4中,打开1号进料阀5,使椰壳材料经螺旋上料管6进入到料仓2中,当料仓2中椰壳材料达到一定量后,开启2号进料阀3,使椰壳材料进入到进料管8中,由推板7将椰壳材料推入炉体12内。
当椰壳材料进入到炉体12内,由进气口42向炉体12按1.5L/min的流量通入N2,通入0.5h后,开启炉体12的加热装置(为现有常规装置),以10℃/min的升温速率升温至500℃,保温3h,同时开启炉体冷却水装置40。碳化过程中,打开抽气阀37,使碳化过程中产生的烟气经筛网36和由保温套25包裹的排气管24进入到缓冲箱23中。在打开抽气阀37的同时开启缓冲箱23中的上挡板冷却水装置19和下挡板冷却水装置21,烟气触碰到经冷却水冷却的下挡板22和上挡板20后会将遇冷易液化的杂质分离,该部分油状杂质可以通过打开放油阀17经排油管18放出,而剩余的气体在打开气阀16后由1号引风机15抽入1号废气管14中。进入到1号废气管14中的烟气少量会在旁通阀10开启时由2号废气管9进入到废气燃烧室44中,其余大部分烟气会进入到燃烧室11中经废气燃烧喷嘴13点燃用于炉体12加热。燃烧室11中点燃的烟气产生的废气会由2号引风机43抽取,经3号废气管41进入到废气燃烧室44中,此时废气燃烧室44中会有由空气通入管1通入的空气,将废气进行充分燃烧。
当碳化完成后,关闭加热装置,待冷却1h后开启炉管出料阀33、1号螺旋出料冷却水装置26和2号螺旋出料冷却水装置28,调整炉体12转速,使炉体12中碳化后材料进入到出料管35中,再经排料连接管34进入1号螺旋出料管27中,碳化材料经一段冷却后进入2号螺旋出料管29再进行二段冷却。在碳化材料冷却的同时开启碳箱31中的磁吸装置32,当碳化材料由2号螺旋出料管29进入碳箱31时,碳化材料中含有的磁性物质经磁吸装置32进入到杂质仓中。当碳化材料全部进入到碳箱31时,关闭进气口42和炉体冷却水装置40。最终得到碳化材料可以打开碳箱31中的放料阀30放出。
经检测,上述生物质椰壳材料经低温碳化后再高温烧结制备的硬碳,电化学性能有明显的提升。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化炉,其特征在于,包括炉体(12),所述炉体(12)上设有一根排气管(24),所述排气管(24)一端与所述炉体(12)内部连通,另一端与一用于使所述炉体(12)中排出的烟气中的煤焦油冷凝沉降并与烟气分离的缓冲箱(23),所述排气管(24)上设有用于使所述炉体(12)中排出的烟气中的煤焦油在所述排气管(24)中不冷凝的保温套(25)。
2.根据权利要求1所述的碳化炉,其特征在于,所述缓冲箱(23)中设有间隔分布的上挡板(20)与下挡板(22);所述上挡板(20)的上端与所述缓冲箱(23)的顶部固接,下端与所述缓冲箱(23)的底部之间留有间隔,所述下挡板(22)的下端与所述缓冲箱(23)的底部固接,上端与所述缓冲箱(23)的顶部之间留有间隔;所述上挡板(20)和下挡板(22)上分别设有上挡板冷却水装置(19)和下挡板冷却水装置(21);所述下挡板(22)底部设有孔洞。
3.根据权利要求1所述的碳化炉,其特征在于,所述排气管(24)上设有抽气阀(37),所述排气管(24)中在靠近所述炉体(12)处设有用于防止炉体(12)中的物料进入排气管(24)的筛网(36)。
4.根据权利要求1所述的碳化炉,其特征在于,所述炉体(12)设于一密封的燃烧室(11)内,所述缓冲箱(23)上连接有一用于烟气排出的1号废气管(14),所述1号废气管(14)伸入所述燃烧室(11)内,且所述1号废气管(14)位于所述燃烧室(11)内的一端分支成多根支路,各支路的端部设有靠近所述炉体(12)外壁、用于燃烧烟气供热的废气燃烧喷嘴(13)。
5.根据权利要求4所述的碳化炉,其特征在于,所述炉体(12)可转动设于所述燃烧室(11)内,且所述废气燃烧喷嘴(13)相对于所述炉体(12)的径向方向倾斜设置。
6.根据权利要求4所述的碳化炉,其特征在于,所述燃烧室(11)上连接有一用于烟气排出的3号废气管(41),所述3号废气管(41)的端部设有废气燃烧室(44),所述1号废气管(14)与废气燃烧室(44)之间设有一2号废气管(9)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的碳化炉,其特征在于,所述炉体(12)水平设置,所述炉体(12)的两端分别设有进料管(8)与出料管(35),所述进料管(8)上连接有上料机构与用于将从所述上料机构中进入所述进料管(8)中的物料推入所述炉体(12)内的推板(7),所述出料管(35)上设有下料机构,所述排气管(24)设于所述出料管(35)上。
8.根据权利要求7所述的碳化炉,其特征在于,所述上料机构包括进料漏斗(4)、1号进料阀(5)、螺旋上料管(6)、料仓(2)和2号进料阀(3),所述进料漏斗(4)通过1号进料阀(5)与所述螺旋上料管(6)的一端连通,所述螺旋上料管(6)的另一端与所述料仓(2)连通,所述料仓(2)通过2号进料阀(3)与所述进料管(8)连通。
9.根据权利要求7所述的碳化炉,其特征在于,所述下料机构包括排料连接管(34)、1号螺旋出料管(27)、2号螺旋出料管(29)和碳箱(31),所述1号螺旋出料管(27)的入口端通过排料连接管(34)与所述出料管(35)连通,所述1号螺旋出料管(27)的出口端与所述2号螺旋出料管(29)的入口端连通,所述2号螺旋出料管(29)的出口端与所述碳箱(31)连通;所述1号螺旋出料管(27)和2号螺旋出料管(29)外壁上分别设有1号螺旋出料冷却水装置(26)和2号螺旋出料冷却水装置(28);所述碳箱(31)上设有用于吸附碳化物料中磁性杂质的磁吸装置(32)。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的碳化炉,其特征在于,所述炉体(12)上设有用于惰性气体进入的进气口(42),所述炉体(12)表面设有用于控制炉体(12)内温度的炉体冷却水装置(40)。
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