粒径分级输送-梯度加热集成的热脱附装置及其使用方法与流程

粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置及其使用方法
技术领域
1.本发明涉及热脱附技术领域，具体涉及一种粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置及其使用方法。


背景技术：

2.土壤是宝贵的自然资源，是人类生存的必要条件。随着我国产业结构调整和城市规模扩张，大量农药化工企业搬迁，遗留了大批有机污染场地，这种场地普遍具有生产历史长、产业迭代频繁、污染物复杂、环境危害大且分布广泛等特征，严重威胁人居健康和环境安全，已成为当前亟待解决的重大土壤环境问题。
3.目前针对有机污染土壤常用的修复方法有植物修复、生物修复、化学氧化还原、热脱附等，其中热脱附作为一种非燃烧技术，具有处理范围宽、修复快速、效果易达标等特点，因此广泛用于有机污染土壤的修复。热脱附技术分为原位热脱附和异位热脱附，异位热脱附整体使用更为灵活，对场地环境依赖性弱，应用更为广泛。异位热脱附是通过将污染土壤从原地开采后，直接或间接加热，将污染土壤加热至目标污染物的沸点以上，通过控制系统温度和物料停留时间有选择地促使污染物气化挥发，达到目标污染物与土壤颗粒分离、去除的目的。
4.美国epa统计显示欧美场地修复案例中热脱附技术的使用率为20～30％，是主要技术之一。热脱附修复技术在国外已有近30年历史，此前一直被欧美等发达国家垄断，国内部分企业通过引进国外技术实施工程，虽部分满足了市场需求，但仍存在“水土不服”等问题，难以满足我国复杂的污染场地现状，市场接受度低，存在能耗大、效率低、稳定性差等问题。
5.专利“一种高含水率的油泥两级热脱附系统及其集成撬装”(201811424135.5)提供的系统包括进料系统、第一级热处理系统、第二级热处理系统、出料系统、蒸汽冷凝及油水分离系统、氮气保护系统，并将上述集成于一体化撬装装置内。该发明针对高含水率油泥热脱附法处理过程中能耗高、处理能力受限等不足，通过第一级热辐射的微波热脱附预处理降低油泥含水率，第二级热传导的间接热脱附将油与土分离，同时通过第一级热脱附的布料器和第二级热脱附的阻火板、阻火墙增加烟气停留时间，提高热效率和装置处理能力。但该工艺中物料热处理过程中无法形成对物料状态的有效干预，容易造成物料内外部受热不均，物料热脱附率较低。
6.专利“一种多级热脱附土壤修复设备”(201620932626.0)提供包括设于设备顶部的输料口，从输料口向下部延伸的用于输送物料的物料通道系统以及物料通道系统末端的物料出口，还包括设于设备底层的用于产生高温烟气的燃烧室，从燃烧室烟气出口朝上部延伸的气道系统以及气道系统顶部的排气口；气道系统将物料通道系统包围，且两个系统中多处互联互通使得物料系统形成脱附室，物料通道的加料口、出料口分别设于脱附室的两端，气道的出气口、进气口分别设于脱附室的两端。该专利的优点在于增加了尾气余热对物料的热脱附处理过程，但该过程中气道与物料通道的互联互通，增加了细小物料颗粒被
气体带出概率，进而增加尾气处理的负担，同时在热脱附过程中物料状态比较固定，无法强化和均匀传热传质过程。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述技术存在加热不均、能耗利用率相对较低的缺点，而提供一种粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置及其使用方法，该热脱附装置简单高效、低成本、快捷。
8.本发明的目的通过以下技术方案实现：
9.一种粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置，所述热脱附装置包括处理箱体、多个旋转轴组、多个输送带和加热管，所述处理箱体的顶部设有用于物料加料的加料口，底部设有用于物出料的出料口，所述加料口和出料口分设于处理箱体的中轴线两侧，所述处理箱体内设有腔室，多个旋转轴组自上而下依次设置在腔室内，所述旋转轴组和处理箱体的内壁之间留有供物料出料的物料出料通道，所述输送带和旋转轴组一一配对，所述输送带套设在旋转轴组外，多个输送带上物料的行进方向均相同，所述输送带上开设有通孔，多个输送带按通孔的孔径自上而下依次减小的顺序进行排布，所述加热管也位于腔室中，并与出料口位于处理箱体的中轴线的同一侧，所述物料为有机污染土壤或固废。粒径小于输送带上的通孔孔径的物料通过自身重力往下落到下一层的输送带上，而粒径大于输送带上的通孔孔径的物料随着输送带继续运动直至落入物料出料通道中，之后从出料口出料。
10.所述热脱附装置还包括多个物料挡板，所述旋转轴组包括加料侧旋转轴和出料侧旋转轴，所述加料侧旋转轴和加料口位于同一侧，所述出料侧旋转轴和出料口位于同一侧，所述物料出料通道位于出料侧旋转轴和处理箱体的内壁之间，所述物料挡板靠近加料侧旋转轴并呈倾斜设置，所述物料挡板的一端和处理箱体的内壁相连接，所述物料挡板的另一端和输送带之间存在间隙(即物料挡板的底部不与输送带刚性接触)。几个旋转轴的旋转速率和进料速率可根据热脱附需求进行调节。物料挡板可使物料在分级落到输送带时不会掉落到处理箱体的底部。
11.所述物料挡板采用耐高温金属材料制成，所述物料挡板的宽度不小于输送带的宽度，所述物料挡板和输送带之间形成的夹角为90
°‑
180
°
。
12.多个物料挡板和输送带之间形成的夹角自上而下依次增大。
13.所述旋转轴组还包括位于加料侧旋转轴和出料侧旋转轴之间的支撑用旋转轴。
14.所述热脱附装置还包括多个输送带压辊，所述输送带压辊设于输送带的里侧或外侧并与输送带相接触。
15.多个输送带包括位于最上方的顶部输送带以及位于最下方的底部输送带，所述顶部输送带和底部输送带均呈水平状。
16.多个输送带还包括至少一个位于顶部输送带和底部输送带之间的中间输送带，所述中间输送带呈弯折状(即多个输送带自上而下呈倒阶梯排布，便于落料)，倾斜的方向为自顶部输送带的出料侧旋转轴向底部输送带的加料侧旋转轴倾斜。输送带的层数可根据需求合理调整。
17.所述输送带由耐高温柔性材质编织而成，可以但不限于碳钢、不锈钢、钛材、合金钢等材质加工而成，具有一定的通孔孔径精度，其通孔的孔径在20毫米
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0.001毫米范围内
调节选择，优选为10毫米
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0.02毫米，当输送带分为三层时，顶部输送带的通孔孔径进一步优选为10毫米
‑
0.7毫米，中间输送带的通孔孔径进一步优选为250毫米，底部输送带的通孔孔径进一步优选为20微米，输送带的宽度相同可达到0.5米
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5米，每层高度范围为0.4米
‑
2米。
18.所述输送带在空间上分为接纳物料的上层输送带部分和返回运动的下层输送带部分，所述热脱附装置还包括多个物料压辊，所述物料压辊位于上层输送带部分的上方，多个物料压辊沿物料的行进方向进行排布。上层输送带部分和下层输送带部分具体指代的输送带部分会随着输送带的移动而动态变化。物料接触物料压辊后，物料压辊会经物料运动驱使其进行转动，物料压辊可给予物料挤压作用，使更多符合筛选规格的物料进入到下一层的输送带上，提高分离效果。
19.位于顶部输送带上方的多个物料压辊沿物料的行进方向从高到低排布，位于中间输送带上方的多个物料压辊沿物料的行进方向由低到高排布，位于底部输送带上方的多个物料压辊沿物料的行进方向平行排布。
20.所述物料压辊采用金属材料制成，所述物料压辊呈圆柱体状，所述物料压辊的直径为10mm
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500mm。
21.所述热脱附装置还包括多个残料刷，所述残料刷位于下层输送带部分的底部并与下层输送带部分相接触。残料刷可将堵塞在输送带中的固体颗粒清除，确保输送带中的孔径不被物料颗粒堵塞，使输送带恢复筛分功能，粒径筛分作用持续有效，残料刷可单独设置也可以分多组设置。
22.所述残料刷靠近出料侧旋转轴设置，由于物料压辊会将物料压紧在输送带的上层输送带部分上，容易造成输送带的上层输送带部分堵塞，而物料是在重力作用下穿过下层输送带部分，即输送带的下层输送带部分不易堵塞，因此将残料刷设置在靠近出料侧旋转轴的位置，可将堵塞在输送带上的物料先清除，保证物料能从上层输送带部分落下，也能从下层输送带部分继续落下。
23.所残料刷采用金属丝制成。
24.所述处理箱体采用金属材质制成，位于加热管一侧的处理箱体的内壁上设有耐火砖和耐火泥保护层，位于加热管一侧的处理箱体的外壁上设有阻热材料。该结构不仅可以对热脱附装置实施有效保温，还可以使得处理箱体的金属寿命延长，降低外壁温度，兼顾经济性和安全性。
25.所述阻热材料包括隔热网和隔热棉。
26.所述加热管呈竖直分布，所述加热管的顶部不低于顶部输送带所在的水平面，所述加热管的底部和处理箱体的底面相连接，可进一步快速地使处理箱体内的温度自上而下降低。在加热管工作过程中，由于“热胀冷缩”这一原理，热空气分布在处理箱体的腔室的中上部，冷空气分布在处理箱体的腔室的中下部，而上层的热脱附的物料颗粒粒径较大、物料更厚，需要温度和热量较高，而下层物料颗粒较小且物料薄，传热传质条件好，需要温度和能量较低，符合热量和温度的空间分布，使热量得到充分利用。
27.所述处理箱体的顶部还设有排气口，所述排气口和加热管位于处理箱体的中轴线的同一侧，所述排气口和外界的尾气处理系统相连通。热脱附气体通过排气口排入到尾气处理系统中。
28.一种基于粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置的使用方法，所述使用方法具体包括以下步骤：
29.(a)根据工艺要求，对需要进行热脱附的物料的粒度分布情况进行测试，选择出孔径合适的多个输送带，连接好热脱附装置；
30.(b)在投入物料前先打开加热管，将热脱附装置加热到设定温度，然后从加料口缓慢投料到输送带上，与此同时，驱动旋转轴组进行转动，从而带动输送带做定向活动，物料中粒径大于输送带上通孔孔径的颗粒随输送带继续前进，进入到物料出料通道中，完成热脱附工作，而粒径小于输送带上通孔孔径的颗粒通过通孔落到下一层的输送带上，重复上述操作，热脱附完成的土壤落入出料口进行回收，该回收环节可间歇操作。
31.在工作过程中，物料从加料口进入落入顶部输送带上后，会随着输送带向前运动，在此期间粒径小于该输送带上的通孔孔径的细小颗粒会由于自身重力以及物料压辊等作用透过顶部输送带落入到中间输送带上，大粒径颗粒则停留在顶部输送带表面继续前进，直至落入到物料出料通道中继续进行热脱附最后经出料口出料，而落入到中间输送带上的物料也会在前进过程中通过重力和物料压辊的作用，使得更加细小的颗粒落入到底部输送带上(以三层输送带为例)。物料在热脱附过程中，按照颗粒大小逐级进行筛选并进行热脱附，符合热量和温度的空间分布，使热量得到充分利用。
32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
33.本发明为一种粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置及使用方法，通过设置位于不同高度位置处的输送层(即旋转轴组和输送带组成的输送层)和开设有不同孔径的通孔的输送带，将污染土壤进行扰动均匀和分级热脱附，实现边筛分边加热，该过程利用处理箱体内热量分布及热空气的流动方向，充分优化不同物料粒径、不同堆存厚度物料的传热传质条件，提高能量的利用效率，减少热脱附时间，降低热脱附装置的整体运行成本。本发明具有工艺流程简单，充分利用加热空间的热能分布差异，热量利用率高，污染土壤处理速率快等优点，可满足不同粒径、污染物种类和浓度的有机污染土壤热脱附需求。
附图说明
34.图1为一种粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置的结构示意图。
35.图中：101
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加料侧旋转轴；102
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出料侧旋转轴；103
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支撑用旋转轴；2
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处理箱体；3
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加料口；4
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物料挡板；5
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物料压辊；6
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残料刷；7
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排气口；8
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加热管；9
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出料口；1001
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顶部输送带；1002
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中间输送带；1003
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底部输送带；1004
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上层输送带部分；1005
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下层输送带部分；11
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物料出料通道；12
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输送带压辊。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
37.实施例1
38.如图1所示，一种粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置，包括处理箱体2、多个旋转轴组、多个输送带、加热管8、多个物料挡板4、多个输送带压辊12、多个残料刷6以及驱动旋转轴组中的多个旋转轴进行转动的驱动电机(图中省略)。
39.处理箱体2的顶部设有用于物料加料的加料口3和排气口7，底部设有用于物料出
料的出料口9，加料口3和出料口9分设于处理箱体2的中轴线两侧，排气口7和加热管8位于处理箱体2的中轴线的同一侧，排气口7和外界的尾气处理系统相连通，处理箱体2采用金属材质制成，位于加热管8一侧的处理箱体2的内壁上设有耐火砖和耐火泥保护层，位于加热管8一侧的处理箱体2的外壁上设有阻热材料，阻热材料包括隔热网和隔热棉。
40.处理箱体2内设有腔室，多个旋转轴组自上而下依次设置在腔室内，旋转轴组包括加料侧旋转轴101、出料侧旋转轴102以及位于加料侧旋转轴101和出料侧旋转轴102之间的支撑用旋转轴103，加料侧旋转轴101和加料口3位于同一侧，出料侧旋转轴102和出料口9位于同一侧，出料侧旋转轴102和处理箱体2的内壁之间留有供物料出料的物料出料通道11，排气口7位于物料出料通道11的上方。
41.输送带和旋转轴组一一配对，输送带套设在旋转轴组外，多个输送带上物料的行进方向均相同(可看图1中各旋转轴的箭头所指的旋转方向以及输送带的箭头所指的行进方向)，输送带上开设有通孔，多个输送带按通孔的孔径自上而下依次减小的顺序进行排布，多个输送带包括位于最上方的顶部输送带1001以及位于最下方的底部输送带1003，顶部输送带1001和底部输送带1003均呈水平状，多个输送带还可包括至少一个位于顶部输送带1001和底部输送带1003之间的中间输送带1002，中间输送带1002呈弯折状，弯折的部位处设置支撑用旋转轴103进行角度的改变，两个支撑用旋转轴103其中一个直径较大，另一个的直径较小，并和出料侧旋转轴102的直径相同，倾斜的方向为自顶部输送带1001的出料侧旋转轴102向底部输送带1003的加料侧旋转轴101倾斜，输送带在空间上分为接纳物料的上层输送带部分1004和返回运动的下层输送带部分1005，输送带由耐高温柔性材质编织而成，可以但不限于碳钢、不锈钢、钛材、合金钢等材质加工而成，具有一定的通孔孔径精度，其通孔的孔径在20毫米
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0.001毫米范围内调节选择，输送带的宽度相同可达到0.5米
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5米，每层高度范围为0.4米
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2米。
42.多个物料压辊5位于上层输送带部分1004的上方，多个物料压辊5沿物料的行进方向进行排布，位于顶部输送带1001上方的多个物料压辊5沿物料的行进方向从高到低排布，位于中间输送带1002上方的多个物料压辊5沿物料的行进方向由低到高排布，位于底部输送带1003上方的多个物料压辊5沿物料的行进方向平行排布，物料压辊5采用金属材料制成，物料压辊5呈圆柱体状，物料压辊5的直径为10mm
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500mm，而输送带压辊12设于输送带的里侧或外侧并与输送带相接触，比如由于顶部输送带1001的主体呈水平状，所以几个输送带压辊12均位于顶部输送带1001的里侧，两个输送带压辊12往上撑顶部输送带1001的上层输送带部分1004，两个输送带压辊12往下压顶部输送带1001的下层输送带部分1005，而中间输送带1002呈倾斜状，所以几个输送带压辊12位于中间输送带1002的里侧，并往上撑中间输送带1002的上层输送带部分1004，有一个直径较大的输送带压辊12位于中间输送带1002的下层输送带部分1005的外侧并与用于改变角度的直径较小的支撑用旋转轴103相互压紧，该输送带压辊12也往上撑中间输送带1002的下层输送带部分1005。
43.物料挡板4靠近加料侧旋转轴101并呈倾斜设置，物料挡板4的一端和处理箱体2的内壁相连接，物料挡板4的另一端和输送带之间存在间隙(但该间隙非常小，保证物料挡板4不影响输送带的传送即可)，物料挡板4采用耐高温金属材料制成，物料挡板4的宽度不小于输送带的宽度，物料挡板4和输送带之间形成的夹角为90
°‑
180
°
，多个物料挡板4和输送带之间形成的夹角可设置成自上而下依次增大。
44.残料刷6位于下层输送带部分1005的底部并与下层输送带部分1005相接触，残料刷6靠近出料侧旋转轴102设置，残料刷6采用金属丝制成。
45.加热管8也位于腔室中，并均匀分布在处理箱体2的内壁上，并与出料口9位于处理箱体2的中轴线的同一侧，或者说加热管8位于物料出料通道11中，加热管8呈竖直分布，加热管8的顶部不低于顶部输送带1001所在的水平面，加热管8的底部和处理箱体2的底面相连接。
46.如图1所示，图中在各个输送带上的呈颗粒状的为物料，也即有机污染土壤或固废，土壤的粒径由颗粒的大小表示，一种基于粒径分级输送
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梯度加热集成的热脱附装置的使用方法，具体包括以下步骤：
47.(a)根据工艺要求，对需要进行热脱附的物料的粒度分布情况进行测试，选择出孔径合适的多个输送带，连接好热脱附装置；
48.(b)在投入物料前先打开加热管8，将热脱附装置加热到设定温度，图1中的右边有一个箱体内温度梯度图，自上而下温度逐渐降低，然后从加料口3缓慢投料到输送带上，与此同时，驱动旋转轴组进行转动，从而带动输送带做定向活动，物料中粒径大于输送带上通孔孔径的颗粒随输送带继续前进，进入到物料出料通道11中，完成热脱附工作，而粒径小于输送带上通孔孔径的颗粒通过通孔落到下一层的输送带上，重复上述操作。
49.本实施例中采用含石油烃污染土壤作为物料进行实验，具体步骤如下：
50.(1)工艺准备
51.根据工艺要求，对需要热脱附的含石油烃污染土壤物料进行粒度分布情况测试及污染分布研究，粒度分布情况如表1所示，选择了一个能够拦截大块颗粒的通孔孔径为1cm的输送带作为顶部输送带、一个通孔孔径为250微米的输送带作为中间输送带以及一个20微米的微孔径输送带作为底部输送带，可以对本次样品进行有效分级截留，之后组装热脱附装置。
52.表1
[0053][0054]
(2)热脱附操作
[0055]
本实施例中的输送带由低碳合金钢金属编织而成，宽度为0.8米，每层输送带之间的距离为1.5米，物料挡板和输送带之间形成的角度为120
°
，物料压辊的直径为200mm。在投入物料前先打开加热管8将环境温度设定为400℃，将热脱附装置加热到设定温度，然后从加料口缓慢投料，投料速度为1吨/小时，与此同时，打开驱动电机，驱动所有的旋转轴转动，
带动输送带做定向运动，顶部输送带上颗粒随输送带运动过程中受到自身重力、物料压辊的挤压力的影响，粒径小于1cm的土壤落入到中间输送带，其上的大颗粒则继续输送，之后落入物料出料通道，大颗粒在输送带上和物料出料通道中进行热脱附；落入中间输送带上的物料同样会由于自身重力和物料压辊的挤压作用，此时粒径小于250微米的土壤落入底部输送带上，而粒径在1cm和250微米之间的土壤颗粒则进入物料出料通道，各层输送带保持物料传输，直至完成热脱附工作。每层输送带的下层输送带部分在靠近出料侧旋转轴的底部都安装有1个残料刷，可将堵塞在输送带中的固体颗粒清除，使输送带保持筛分传输功能。热脱附气体会通过装置上方的排气口排入到尾气处理系统中。处理完成的物料落入出料口进行回收，回收土壤中抽样检测土壤样品有机污染物去除率达到92％，效果良好。
[0056]
实施例2
[0057]
采用如图1所示及实施例1所述的粒径分级输送
‑
梯度加热集成的热脱附装置热脱附装置进行使用，不同点在于：
[0058]
(1)工艺准备
[0059]
根据工艺要求，对需要热脱附的含多环芳烃污染土壤物料进行粒度分布情况测试及污染分布研究，粒度分布情况如表2所示，选择了一个能够拦截大块颗粒的通孔孔径为700微米的输送带作为顶部输送带、一个通孔孔径为250微米的输送带作为中间输送带以及一个20微米的微孔径输送带作为底部输送带，可以对本次样品进行有效分级截留，之后组装热脱附装置。
[0060]
表2
[0061][0062][0063]
(2)热脱附操作
[0064]
本实施例中粒径分级输送
‑
梯度加热集成的热脱附装置中的输送带由304不锈钢金属编织而成，宽度为1.0米，每层输送带之间的距离为1.2米，物料挡板和输送带之间形成的角度为150
°
，物料压辊的直径200mm。在投入物料前先打开加热管8将环境温度设定为550℃，将热脱附装置加热到设定温度，然后从加料口缓慢投料，投料速度为0.5吨/小时，与此同时，打开驱动电机，驱动所有的旋转轴转动，带动输送带做定向运动，顶部输送带上颗粒随输送带运动过程中受到自身重力、物料压辊的挤压力的影响，粒径小于700微米的土壤落入到中间输送带，其上的大颗粒则继续输送，之后落入物料出料通道，大颗粒在输送带上和物料出料通道中进行热脱附；落入中间输送带上的物料同样会由于自身重力和物料压辊的挤压作用，粒径小于250微米的土壤落入底部输送带上，而粒径在700微米和250微米之间的
土壤颗粒则进入物料出料通道，各层输送带保持物料传输，直至完成热脱附工作。每层输送带的下层输送带部分在靠近出料侧旋转轴的底部都安装有1个残料刷，可将堵塞在输送带中的固体颗粒清除，使输送带恢复筛分功能。热脱附气体会通过装置上方的排气口排入到尾气处理系统中。热脱附好的物料落入出料口进行回收，回收土壤中抽样检测土壤样品有机物去除率达到95％，效果良好。
[0065]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。