高效气固非均相反应炉的制作方法

1.本发明属于材料活化设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种高效气固非均相反应炉。


背景技术：

2.涉及气固反应的材料制备，尤其是炭材料通过活化反应，可增加炭材料的比表面积。在材料制备过程中，气相与固相的接触面积和反应时间是增加比表面积极其重要的两个条件。
3.气-固反应釜是实现材料活化的重要设备，气-固反应釜通常采用回转炉结构形式，在炉管旋转的过程中固相不断翻动，在固相翻动过程中与气相进行接触实现反应。
4.在实际生产作业中，圆柱形的直筒炉管在旋转过程中，固相物料在重力作用下基本保持在炉管内的底部，在一定的装填量下，会有部分物料始终在炉管底部(炉管内部的底部)无法与气相接触。固相物料与气相反应物的接触面主要是装填量的宏观表面，两相接触面非常有限，因此，为增加单位反应时间内两相物料的接触面积，通常会在回转炉反应釜中会增加翻料板，通过翻料板翻动固相来增加固相与气相之间的接触面积。
5.目前，应用在回转炉内的翻料板通常采用直板结构设计，即沿炉管周长方向排布直板进行翻料，在炉管旋转时，通过翻料板能够将炉管底部的固相物料扬起，从而增大气固两相的接触面，提高单位时间内的反应效率。
6.然而，从炉管横截面来看，直板式结构的翻料板仅能将固相物料扬至钟表约10点左右位置，然后落至7点位置，按时钟三个钟点为一个连线单位进行连线，那么固相物料与气相物料的接触仅占连线的六分之一，固相与气相之间的接触面积还有待进一步增加。如果是增加直板宽度，虽然这种改进方式能够增大扬料面积，但是，翻料板的宽度受炉管圆周半径限制，其增加效果非常有限。尤其是炉管旋转线速度低的情况下，采用直板式结构的翻料板还会存在如下问题：物料会在不到10点钟的方向就会滑落回炉膛底部，固相与气相之间的反应接触面积减少，其扬料的效果更差。


技术实现要素：

7.综上所述，如何有效增加固相与气相之间的反应接触面积，以提高反应率，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
8.为解决上述问题，本发明提供了一种高效气固非均相反应炉，在本发明中，该高效气固非均相反应炉包括：
9.在工作过程中保持回转运动状态的反应炉管；
10.设置于所述反应炉管内、沿所述反应炉管的轴向设置的螺旋叶片，所述螺旋叶片的外缘与所述反应炉管内侧壁连接，所述螺旋叶片的内缘设置有内缘结构；
11.在所述反应炉管的轴向上，所述内缘结构的投影覆盖所述螺旋叶片的投影中部。
12.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，所述反应炉管为圆管结构；
所述螺旋叶片的宽度一致，所述螺旋叶片的螺旋角度一致，所述螺旋叶片的螺距一致。
13.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，所述螺旋叶片在所述反应炉管的轴向上的投影宽度小于所述反应炉管的半径；贯穿所述螺旋叶片设置有所述内缘结构，所述内缘结构为圆柱体，所述内缘结构为两端封闭结构；所述内缘结构与所述反应炉管同轴设置，所述螺旋叶片的内缘与所述内缘结构的外侧面固定连接；所述螺旋叶片设置在所述反应炉管以及所述内缘结构之间并形成有用于气相以及固相反应的螺旋混合通道。
14.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，所述内缘结构为圆筒形结构，于所述内缘结构的两端设置有端盖。
15.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，于所述螺旋叶片的间隙中并在所述反应炉管的内侧面上设置有用于对固相进行扬料的扬料板。
16.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，所述螺旋叶片为金属制一体式结构；所述内缘结构为金属制结构。
17.本发明还提供了另外一种结构形式的高效气固非均相反应炉，该高效气固非均相反应炉包括：在工作过程中保持回转运动状态的反应炉管；设置于所述反应炉管内、沿所述反应炉管的轴向设置的螺旋叶片，所述螺旋叶片的外缘与所述反应炉管内侧壁连接，所述螺旋叶片的内缘设置有内缘结构，所述内缘结构设置在所述螺旋叶片的间隙中，用于封闭所述螺旋叶片的内缘并使得所述螺旋叶片在所述反应炉管内形成封闭的、螺旋状的、用于气相以及固相反应的螺旋混合通道。
18.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，所述反应炉管为圆管结构；所述螺旋叶片的宽度一致，所述螺旋叶片的螺旋角度一致，所述螺旋叶片的螺距一致；所述内缘结构为螺旋形的立板结构。
19.优选地，在本发明所提供的高效气固非均相反应炉中，所述螺旋叶片为金属制一体式结构；所述内缘结构为金属制一体式结构；所述内缘结构与所述螺旋叶片焊接连接。
20.本发明提供了一种高效气固非均相反应炉，该高效气固非均相反应炉包括：在工作过程中保持回转运动状态的反应炉管；设置于反应炉管内、沿反应炉管的轴向设置的螺旋叶片，螺旋叶片的外缘与反应炉管内侧壁连接，螺旋叶片的内缘设置有内缘结构。其中，在反应炉管的轴向上，内缘结构的投影覆盖螺旋叶片的投影中部；或者，内缘结构设置在螺旋叶片的间隙中，用于封闭螺旋叶片的内缘并使得螺旋叶片在反应炉管内形成封闭的、螺旋状的、用于气相以及固相反应的螺旋混合通道。
21.通过上述结构设计，本发明所提供的高效气固非均相反应炉，改变了传统反应炉炉管内部结构，通过增设螺旋叶片能够使得固相得到均匀且充分的扬料，以达到增加固相与气相接触面积的目的。同时，本发明通过设置内缘结构，能够优化气相的流动方式，使得气相能够在反应炉管内沿螺旋路径进行流动，增加了气相在反应炉管内的停留时间，有效增加了气相与固相的反应时间。本发明所提供的高效气固非均相反应炉具有结构设计合理，较高的气固相反应效率以及较高的气相利用率等优点。本发明能够在不增加反应炉管长度的前提下，且保持同样固相物料流动速度的情况下，通过优化气相的流向，提高了气相物料的使用效率。在试验阶段，本发明使用蒸汽与碳颗粒反应，提高了蒸汽利用率，降低了产生蒸汽所需的能耗。
附图说明
22.图1为本发明实施例中高效气固非均相反应炉的局部结构示意简图。
23.在图1中，部件名称与附图标记的对应关系为：
24.反应炉管1、螺旋叶片2、内缘结构3。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
26.另外，在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
27.请参考图1，图1为本发明实施例中高效气固非均相反应炉的局部结构示意简图。
28.本发明提供了一种高效气固非均相反应炉，用于实现气相与固相的混合、接触与反应，从而增加固相的比表面积。
29.上述的混合与接触是指气相能够混入到固相(颗粒物料)中，并与固相的表面接触，从而实现与固相的反应。
30.本发明所提供的高效气固非均相反应炉具有两个结构创新点：1、采用圆筒形的反应炉管1，在反应炉管1内设置螺旋形的螺旋叶片2，通过螺旋叶片2实现对固相的“搅拌”，达到扬料的效果，用于增加气相与固相的接触面积；2、对螺旋叶片2的内缘结构3进行结构优化，从而使得螺旋叶片2的内缘部位形成封闭结构(避免气相直接通过螺旋叶片2的内缘结构3流通)，以使得气相能够沿着螺旋叶片2进行“螺旋式”流动，增加气相在反应炉管1内的停留反应时间。
31.在本发明的一个具体实施方式中，本发明所提供的高效气固非均相反应炉包括有如下组成结构：
32.1、在工作过程中保持回转运动状态的反应炉管1。
33.反应炉管1是高效气固非均相反应炉用于实现气相、固相反应的结构，反应炉管1为管状结构，其可以采用圆管结构，也可以采用其他结构，例如正多棱柱体(管状结构)结构，反应炉管1采用金属材料制造而成，优选为不锈钢板。
34.反应炉管1的内部空间用于装载固相，反应炉管1在工作过程中保持允许旋转状态，固相在反应炉管1内会随着反应炉管1的转动而被搅动，从而实现固相的扬料，以达到增加与气相接触面积的目的。
35.2、设置于反应炉管1内、沿反应炉管1的轴向设置的螺旋叶片2。
36.如果固相在反应炉管1内单纯地依靠反应炉管1的转动来进行扬料，其效果有待进一步提升，因此，本发明提供了螺旋叶片2。
37.螺旋叶片2是一个具有一定宽度的螺旋状板式结构。更形象地说，就是将一个圆环(或者圆板)沿径向切断，然后将切断的两端沿轴向拉伸，形成一个螺旋叶片单元，多个螺旋
叶片单元依次首尾连接形成一个完整的螺旋叶片2(螺旋叶片2由至少一个上述的螺旋叶片单元组成，优选为三个)。
38.在上述结构设计中，如果螺旋叶片2(螺旋叶片单元)是由圆环切断、拉伸形成，那么螺旋叶片2的轴向投影为一个圆环形结构。气相从反应炉管1的一端进入、从反应炉管1的另一端输出，一大部分气相就会沿着螺旋叶片2的轴向直线流动，与固相的接触时间较短。为了杜绝气相沿着螺旋叶片2的轴向直线流动，本发明对螺旋叶片2进行结构优化：螺旋叶片2的外缘与反应炉管1内侧壁连接，螺旋叶片2的内缘设置有内缘结构3，在反应炉管1的轴向上，内缘结构3的投影能够覆盖住螺旋叶片2的投影中部(如果不设置内缘结构3，则螺旋叶片2的投影中部为空白，这就会使得气相沿直线路径直接通过螺旋叶片2，造成气相在反应炉管1中停留时间较短的问题)。通俗来说就是：在螺旋叶片2的内缘部分设置内缘结构3后，内缘结构3在反应炉管1的轴向上的投影能够覆盖住螺旋叶片2投影中部空白部分(如果不设置内缘结构3，则螺旋叶片2的轴向投影为圆环形，中部空白)。由于设置了内缘结构3，通过内缘结构3在螺旋叶片2的中部形成一个封闭结构，就可以杜绝气相直接通过螺旋叶片2的中部进行流通，而是沿着螺旋叶片2沿螺旋式路径进行流动，这样就能够增加气相在反应炉管1内的停留时间，并可以增加与固相之间的接触面积。
39.在本发明的一个优选实施方式中，反应炉管1为圆管结构，这样不仅便于反应炉管1的生产制造，同时，还便于螺旋叶片2的设计与安装。
40.在本发明的一个优选实施方式中，螺旋叶片2采用轴向投影为圆环形的结构设计，即：螺旋叶片2的宽度一致。同时，本发明还限定了螺旋叶片2的螺旋角度一致，螺旋叶片2的螺距一致，这样可以使得固相在反应炉管1内得到均匀搅拌、扬翻。
41.反应炉管1优选不锈钢作为生产制造材料，螺旋叶片2采用与反应炉管1相同的材料制造而成。螺旋叶片2可以由多个螺旋叶片单元依次首尾连接拼接而成，也可以采用一整张矩形板材通过在内侧边缘剪切形成缺口弯折而成。
42.进一步地，在本发明中，螺旋叶片2的表面为平滑的平面结构或者曲面结构。
43.螺旋叶片2具有两种结构形式：1、螺旋叶片2沿轴向投影为圆环形结构；2、螺旋叶片2沿轴向有赢为圆形结构。
44.对于第一种结构形式而言，螺旋叶片2在反应炉管1的轴向上的投影宽度小于反应炉管1的半径，贯穿螺旋叶片2设置有内缘结构3，内缘结构3为圆柱体(内缘结构3的轴向长度大于螺旋叶片2的轴向整体长度)，内缘结构3为两端封闭结构，内缘结构3与反应炉管1同轴设置，螺旋叶片2的内缘与内缘结构3的外侧面固定连接，螺旋叶片2设置在反应炉管1以及内缘结构3之间并形成有用于气相以及固相反应的螺旋混合通道。
45.由上述可知，内缘结构3为一个圆柱体结构，内缘结构3可以为实心结构，也可以为空心结构。当内缘结构3为实心结构时，内缘结构3可以由硬质塑料一体成型。当内缘结构3空心结构时，内缘结构3为圆筒形结构，于内缘结构3的两端设置有端盖，在本实施例中，内缘结构3采用金属材料制造而成。本发明以内缘结构3是空心结构为优选实施方式。
46.为了再进一步增加本发明对固相的扬料效果，本发明于螺旋叶片2的间隙中并在反应炉管1的内侧面上设置有用于对固相进行扬料的扬料板，扬料板可以平板结构，也可以为l形结构，或者其他任何能够实现固相扬料的结构。具体地，扬料板的设置数量根据反应炉管1的内部直径确定，扬料板的尺寸应当保证固相被扬起后不会不越过内缘结构3(螺旋
叶片2内缘设置的中心管状结构)。
47.具体地，螺旋叶片2为金属制一体式结构；内缘结构3为金属制结构。螺旋叶片2以及内缘结构3采用相同的金属材料制造而成，优选为不锈钢。
48.本发明还提供了一种高效气固非均相反应炉，在工作过程中保持回转运动状态的反应炉管1，设置于反应炉管1内、沿反应炉管1的轴向设置的螺旋叶片2，螺旋叶片2的外缘与反应炉管1内侧壁连接，螺旋叶片2的内缘设置有内缘结构3，内缘结构3设置在螺旋叶片2的间隙中，用于封闭螺旋叶片2的内缘并使得螺旋叶片2在反应炉管1内形成封闭的、螺旋状的、用于气相以及固相反应的螺旋混合通道。本实施例所提供的高效气固非均相反应炉与上述的高效气固非均相反应炉中反应炉管1以及螺旋叶片2的结构形式均保持一致，不同的是：本实施例中对内缘结构3提出了新的设计构思，即将内缘结构3设置在螺旋叶片2之间，并与螺旋叶片2的内侧边缘气密性连接，这样以使得反应炉管1、螺旋叶片2以及内缘结构3形成一条封闭式螺旋通道，以使得气相只能够在螺旋通道进行输送。
49.具体地，反应炉管1为圆管结构，螺旋叶片2的宽度一致，螺旋叶片2的螺旋角度一致，螺旋叶片2的螺距一致。内缘结构3为螺旋形的立板结构。
50.进一步地，螺旋叶片2为金属制一体式结构；内缘结构3为金属制一体式结构；内缘结构3与螺旋叶片2焊接连接。螺旋叶片2、反应炉管1以及内缘结构3采用相同的材料制造而成，优选为不锈钢。
51.本发明的制造过程如下：首先根据反应炉管1、螺旋叶片2以及内缘结构3的结构形式，单独制造出反应炉管1、螺旋叶片2以及内缘结构3；然后将内缘结构3装配到螺旋叶片2上；之后装装配有内缘结构3的螺旋叶片2安装固定到反应炉管1内；最后将反应炉管1安装到高效气固非均相反应炉的主体构架上形成一台完整的高效气固非均相反应炉。
52.由上述可知，本发明提供了一种高效气固非均相反应炉，该高效气固非均相反应炉包括：在工作过程中保持回转运动状态的反应炉管1；设置于反应炉管1内、沿反应炉管1的轴向设置的螺旋叶片2，螺旋叶片2的外缘与反应炉管1内侧壁连接，螺旋叶片2的内缘设置有内缘结构3。其中，内缘结构3在反应炉管1的轴向上的投影完全覆盖，或者内缘结构3设置在螺旋叶片2的间隙中，用于封闭螺旋叶片2的内缘并使得螺旋叶片2在反应炉管1内形成封闭的、螺旋状的、用于气相以及固相反应的螺旋混合通道。
53.本发明与传统结构的效果实例对比：
54.本实例为蒸汽与碳颗粒材料反应，蒸汽来源于蒸汽发生器。
[0055][0056]
通过上述结构设计，本发明所提供的高效气固非均相反应炉，改变了传统反应炉炉管内部结构，通过增设螺旋叶片2能够使得固相得到均匀且充分的扬料，以达到增加固相与气相接触面积的目的。同时，本发明通过设置内缘结构3，能够优化气相的流动方式，使得气相能够在反应炉管1内沿螺旋路径进行流动，增加了气相在反应炉管1内的停留时间，有效增加了气相与固相的反应时间。本发明所提供的高效气固非均相反应炉具有结构设计合理，较高的气固相反应效率以及较高的气相利用率等优点。本发明能够在不增加反应炉管1长度的前提下，且保持同样固相物料流动速度的情况下，通过优化气相的流向，提高了气相物料的使用效率。在试验阶段，本发明使用蒸汽与碳颗粒反应，提高了蒸汽利用率，降低了产生蒸汽所需的能耗。
[0057]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。