水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机及养护方法

技术领域

本发明涉及固体废物资源化技术领域，具体地指一种水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机及养护方法。

背景技术

随着能源消耗与日俱增，我国碳排放呈快速增长趋势，其中能源活动占总排放量的87％。

因此，对低浓度二氧化碳进行捕集和储存，并将储存后的二氧化碳对混凝土进行碳化养护，将其封存在混凝土中同时提高混凝土相关性能。

由于碳化养护效果受含水量影响较大，因此实践中普遍会在水泥基材料碳化养护前对其进行预处理，降低其含水量。目前主流的预处理方法有热源辐射法、热空气对流法和热传导法，但这些降低含水量的方法存在如下问题：

第一，升温较慢，预处理时间太长；

第二，水泥基材料内外温度差异较大，一般来说，材料表面温度高于内部温度，导致材料内部结构容易被破坏；

第三，预处理所需空间较大。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机及养护方法，该一体机将微波预处理工序和碳化养护工序相结合，占用空间较小，能够提高水泥基材料的碳化养护效率；在微波预处理阶段，不仅能够对水泥基材料进行较为均匀的加热，保障材料内外温度差异较小，结构不容易破坏，而且在温度提升较快的情况下，加速材料水化，提升材料性能；在碳化养护阶段，能够自动调节碳化养护的条件，提高碳化养护效果。

为达到上述目的，本发明所设计的一种水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机，包括位于最外层的外壳，其特别之处在于：

所述外壳呈水平放置的圆柱体状，所述外壳一端封闭，另一端设置有能够打开和关闭的密闭门；

所述外壳内侧设置有隔热夹层；

所述隔热夹层内侧设置有用于对水泥基材料进行微波预处理和碳化养护的内腔，所述内腔内壁由光滑密闭的金属构成；

所述内腔底部设置有水平布置的导轨，所述导轨用于将水泥基材料运送进内腔；

所述内腔顶部设置有微波加热组件，所述微波加热组件包括设置在内腔顶部、且用于产生微波的磁控管；所述磁控管连接有朝向不同方向分布的波导管，每个所述波导管用于传送磁控管产生的微波；每个所述波导管连接有分布在内腔不同位置处的微波天线，每个所述微波天线用于接收波导管传送的微波，对水泥基材料表面进行微波加热预处理；

所述内腔顶部还设置有红外温度热像采集器，所述红外温度热像采集器用于实时采集水泥基材料表面的温度，为微波预处理方案提供依据；

所述内腔内部设置有温度传感器、湿度传感器和二氧化碳浓度传感器，所述温度传感器用于采集内腔内部的空气温度，为微波预处理和碳化养护过程中的温度条件控制提供依据；所述湿度传感器用于采集内腔内部的空气湿度，为微波预处理和碳化养护过程中的湿度条件控制提供依据；所述二氧化碳浓度传感器用于采集内腔内部的二氧化碳温度，为碳化养护过程中的二氧化碳条件控制提供依据；

所述内腔底部设置有若干个引气风扇，引气风扇连通引气管道，所述引气管道从内腔底部延伸至内腔顶部、再从内腔顶部延伸至外壳一端内侧的送气风扇位置处，所述引气风扇用于将内腔空气引入至引气管道，所述送气风扇用于将引气管道空气吹入内腔内部，从而实现内腔空气循环；所述引气管道道内分别设置有降温器和除湿器，所述降温器和除湿器分别用于降低引气管道空气的温度和湿度，从而降低内腔空气的温度和湿度，所述降温器和除湿器连接有压缩机，所述压缩机用于为控制降温器和除湿器提供工作支持；

所述外壳一端开凿有二氧化碳进气口，所述二氧化碳进气口内侧设置所述送气风扇，所述送气风扇用于将从外壳外侧通入的二氧化碳气体和引气管道空气吹入内腔内部，促进内腔空气的流通；所述送气风扇内侧设置有用于加热空气温度的加热棒，所述加热棒内侧设置有与送气风扇处于同一平面的加湿器，所述加湿器用于将水箱中的水转变为悬浮态，增加内腔空气湿度；

所述外壳另一端设置有出气口，所述出气口用于将内腔空气和二氧化碳排出；

所述一体机还包括控制台，所述控制台与密封门相连接，用于确认密封门是否处于关闭状态，若被开启则立刻停止微波加热；所述控制台与磁控管相连接，用于开启和关闭磁控管；所述控制台与微波天线相连接，用于控制微波的发射方向；所述控制台与红外温度热像采集器相连接，用于接收红外温度热像采集器采集的水泥基材料表面温度；所述控制台与温度传感器相连接，用于接收温度传感器采集的内腔空气温度；所述控制台与湿度传感器相连接，用于接收湿度传感器采集的内腔空气湿度；所述控制台与二氧化碳浓度传感器相连接，用于接收二氧化碳浓度传感器采集的内腔二氧化碳浓度；所述控制台与引气风扇相连接，用于控制引气风扇的启闭；所述控制台与降温器相连接，用于在温度过高时降低空气温度；所述控制台与除湿器相连接，用于在湿度过高时降低空气湿度；所述控制台与二氧化碳进气口相连接，用于控制是否进气；所述控制台与送气风扇相连接，用于控制送气风扇是否送气；所述控制台与加热棒相连接，用于在温度过低时加热空气温度；所述控制台与加湿器相连接，用于在湿度过低时提高空气湿度；所述控制台与出气口相连接，用于控制出气口是否出气；所述控制台与压缩机相连接，用于控制压缩机是否为降温器和除湿器提供支持。

进一步地，所述密闭门接缝处进行防微波渗漏处理；所述内腔内壁的金属接缝处进行防微波渗漏处理。

更进一步地，所述导轨和承载水泥基材料的板材的材质均采用耐热玻璃、耐高温塑料、陶瓷中的一种或多种。

进一步地，所述二氧化碳进气口入口处设置有避免大颗粒物质进入的过滤装置，所述出气口出口处设置有二氧化碳浓度测量装置，以监测碳化吸收二氧化碳效果。

更进一步地，所述二氧化碳进气口入口处还设置有增压阀，用于对水泥基材料进行加压碳化养护。

进一步地，所述送气风扇、出气口与内腔连接的开口处均设置能够将微波反射回去的金属隔离罩，所述金属隔离罩用于在进行物质交换或数据采集的同时防止微波渗漏，保护设备安全。

更进一步地，所述控制台与密封门、磁控管、微波天线、红外温度热像采集器、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、引气风扇、降温器、除湿器、二氧化碳进气口、送气风扇、加热棒、加湿器、出气口、压缩机均采用通讯连接。

本发明还设计一种水泥基材料的微波预处理-碳化养护方法，适用于上述任一项所述的水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机，其特别之处在于，包括如下步骤：

S1)堆叠好的水泥基材料通过导轨运送到内腔的中央位置，并进行固定；

S2)关闭密封门，并确认一体机处于正常运行状态；

S3)启动微波加热组件，加热水泥基材料至指定温度；

S4)控制台通过红外温度热像采集器实时监控水泥基材料的表面温度，当温度分布不均匀时调整微波天线方向，从而保持水泥基材料的表面整体温度一致，当水泥基材料的表面整体温度达到指定温度时，暂停微波加热，待温度降低至最低阈值时重新启动；

S5)待微波加热达到设定时间后，所述微波加热组件停止加热，结束微波预处理阶段，进入碳化养护阶段；

S6)在碳化养护期间，控制台通过温度传感器、湿度传感器和二氧化碳浓度传感器监测内腔状态，当空气温度过高时，开启引气风扇、送气风扇、降温器和压缩机，降低空气温度至指定温度；当空气温度过低时，开启引气风扇、送气风扇和加热棒，提高空气温度至指定温度；当空气湿度过高时，开启引气风扇、送气风扇、除湿器和压缩机，降低空气湿度至指定湿度；当空气湿度过高时，开启引气风扇、送气风扇和加湿器，提高空气湿度至指定湿度；当二氧化碳浓度过低时，开启二氧化碳进气口，关闭出气口，提高二氧化碳浓度至指定浓度；当二氧化碳浓度过高时，关闭二氧化碳进气口，开启出气口，降低二氧化碳浓度指定浓度；从而使内腔温度、湿度和二氧化碳浓度维持在指定值；

S7)待碳化养护时间达到设定时间后，一体机停止运作，结束碳化养护；

S8)打开密封门，将水泥基材料通过导轨运出内腔，完成微波预处理和碳化养护。

更进一步地，S5)中，在微波预处理期间，控制台通过温度传感器测量空气温度，当空气温度低于指定温度时，开启引气风扇、送气风扇、加热棒，加快升温速度，帮助维持温度稳定，减少微波组件损耗。

更进一步地，S5)中，在微波预处理期间，控制台通过湿度传感器测量空气湿度，当空气湿度高于指定湿度时，开启引气风扇、送气风扇、除湿器、以及压缩机，帮助维持湿度稳定，辅助微波预处理达到预期效果。

本发明的优点在于：

1、本发明中的一体机将微波预处理工序和碳化养护工序相结合，占用空间较小，能够提高水泥基材料的碳化养护效率；

2、本发明在微波预处理阶段，能够对水泥基材料进行较为均匀的加热，保障材料内外温度差异较小，结构不容易破坏，在温度提升较快的情况下，加速材料水化，提升材料性能；同时，能够自动调节微波预处理的环境条件，提高微波预处理效果；

3、本发明在碳化养护阶段，能够自动调节碳化养护的空气温度、湿度和二氧化碳浓度，提高碳化养护效果。

本发明水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机及养护方法，该一体机占用空间较小，能够提高水泥基材料的碳化养护效率；不仅通过微波预处理保障材料结构不容易被破坏，而且能够自动调节碳化养护的条件，提高碳化养护效果。

附图说明

图1为本发明中一体机的结构示意图一；

图2为本发明中一体机的结构示意图二；

图中：外壳1、隔热夹层2、内腔3、密闭门4、导轨5、金属隔离罩6、加湿器7、二氧化碳进气口8、送气风扇9、加热棒10、红外温度热像采集器11、温度传感器12、湿度传感器13、二氧化碳浓度传感器14、磁控管15、波导管16、微波天线17、出气口18、引气风扇19、引气管道20、降温器21、除湿器22、压缩机23、控制台24。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

如图1～2所示，本发明水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机，包括位于最外层的外壳1，所述外壳1呈水平放置的圆柱体状，所述外壳1一端封闭，另一端设置有能够打开和关闭的密闭门4。所述外壳1在设备最外层，为一体机提供保护和支撑。所述密闭门4能够打开和关闭，作为水泥基材料进出的通道。

优选地，所述密闭门4接缝处进行防微波渗漏处理。

所述外壳1内侧设置有隔热夹层2。所述隔热夹层2用于提供保温作用，其内部埋设了连接线路及各种仪器设备。

所述隔热夹层2内侧设置有用于对水泥基材料进行微波预处理和碳化养护的内腔3，所述内腔3内壁由光滑密闭的金属构成。

优选地，所述内腔3内壁的金属接缝处进行防微波渗漏处理。

所述内腔3底部设置有水平布置的导轨5，所述导轨5用于将水泥基材料运送进内腔3。

优选地，所述导轨5和承载水泥基材料的板材的材质均采用耐热玻璃、耐高温塑料、陶瓷中的一种或多种。

具体地，将堆叠的水泥基材料运送进设备内，导轨5和承载水泥基材料的板材的材质可以选择耐热玻璃、耐高温塑料、陶瓷等不会影响微波加热效果的材料，也可以使用特别设计的不会对设备产生危害的金属制品。

所述内腔3顶部设置有微波加热组件，所述微波加热组件包括设置在内腔3顶部、且用于产生微波的磁控管15；所述磁控管15连接有朝向不同方向分布的波导管16，每个所述波导管16用于传送磁控管15产生的微波；每个所述波导管16连接有分布在内腔3不同位置处的微波天线17，每个所述微波天线17用于接收波导管16传送的微波，对水泥基材料表面进行微波加热预处理。

所述内腔3顶部还设置有红外温度热像采集器11，所述红外温度热像采集器11用于实时采集水泥基材料表面的温度，为微波预处理方案提供依据。

所述内腔3内部设置有温度传感器12、湿度传感器13和二氧化碳浓度传感器14，所述温度传感器12用于采集内腔3内部的空气温度，为微波预处理和碳化养护过程中的温度条件控制提供依据；所述湿度传感器13用于采集内腔3内部的空气湿度，为微波预处理和碳化养护过程中的湿度条件控制提供依据；所述二氧化碳浓度传感器14用于采集内腔3内部的二氧化碳温度，为碳化养护过程中的二氧化碳条件控制提供依据。

所述内腔3底部设置有若干个引气风扇19，引气风扇19连通引气管道20，所述引气管道20从内腔3底部延伸至内腔3顶部、再从内腔3顶部延伸至外壳1一端内侧的送气风扇9位置处，所述引气风扇19用于将内腔3空气引入至引气管道20，所述送气风扇9用于将引气管道20空气吹入内腔3内部，从而实现内腔3空气循环；所述引气管道20道内分别设置有降温器21和除湿器22，所述降温器21和除湿器22分别用于降低引气管道20空气的温度和湿度，从而降低内腔3空气的温度和湿度，所述降温器21和除湿器22连接有压缩机23，所述压缩机23用于为控制降温器21和除湿器22提供工作支持。

所述外壳1一端开凿有二氧化碳进气口8，所述二氧化碳进气口8内侧设置所述送气风扇9，所述送气风扇9用于将从外壳1外侧通入的二氧化碳气体和引气管道20空气吹入内腔3内部，促进内腔3空气的流通；所述送气风扇9内侧设置有用于加热空气温度的加热棒10，所述加热棒10内侧设置有与送气风扇9处于同一平面的加湿器7，所述加湿器7用于将水箱中的水转变为悬浮态，增加内腔3空气湿度。

优选地，所述二氧化碳进气口8入口处设置有避免大颗粒物质进入的过滤装置，所述出气口18出口处设置有二氧化碳浓度测量装置，以监测碳化吸收二氧化碳效果。

优选地，所述二氧化碳进气口8入口处还设置有增压阀，用于对水泥基材料进行加压碳化养护。

所述外壳1另一端设置有出气口18，所述出气口18用于将内腔3空气和二氧化碳排出。

优选地，所述送气风扇9、出气口18与内腔3连接的开口处均设置能够将微波反射回去的金属隔离罩6，所述金属隔离罩6用于在进行物质交换或数据采集的同时防止微波渗漏，保护设备安全。

所述一体机还包括控制台24，所述控制台24内置了微型计算机，与其他各个部位连接，可以实时设置、监控和调整设备状态。

所述控制台24与密封门4相连接，用于确认密封门4是否处于关闭状态，若被开启则立刻停止微波加热；所述控制台24与磁控管15相连接，用于开启和关闭磁控管15；所述控制台24与微波天线17相连接，用于控制微波的发射方向；所述控制台24与红外温度热像采集器11相连接，用于接收红外温度热像采集器11采集的水泥基材料表面温度；所述控制台24与温度传感器12相连接，用于接收温度传感器12采集的内腔空气温度；所述控制台24与湿度传感器13相连接，用于接收湿度传感器13采集的内腔空气湿度；所述控制台24与二氧化碳浓度传感器14相连接，用于接收二氧化碳浓度传感器14采集的内腔二氧化碳浓度；所述控制台24与引气风扇19相连接，用于控制引气风扇19的启闭；所述控制台24与降温器21相连接，用于在温度过高时降低空气温度；所述控制台24与除湿器22相连接，用于在湿度过高时降低空气湿度；所述控制台24与二氧化碳进气口8相连接，用于控制是否进气；所述控制台24与送气风扇9相连接，用于控制送气风扇9是否送气；所述控制台24与加热棒10相连接，用于在温度过低时加热空气温度；所述控制台24与加湿器7相连接，用于在湿度过低时提高空气湿度；所述控制台24与出气口18相连接，用于控制出气口18是否出气；所述控制台24与压缩机23相连接，用于控制压缩机23是否为降温器21和除湿器22提供支持。

优选地，所述控制台24与密封门4、磁控管15、微波天线17、红外温度热像采集器11、温度传感器12、湿度传感器13、二氧化碳浓度传感器14、引气风扇19、降温器21、除湿器22、二氧化碳进气口8、送气风扇9、加热棒10、加湿器7、出气口18、压缩机23均采用通讯连接。

本发明还设计一种水泥基材料的微波预处理-碳化养护方法，适用于上述的水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机，包括如下步骤：

S1)堆叠好的水泥基材料通过导轨5运送到内腔3的中央位置，并进行固定；

S2)关闭密封门4，并确认一体机处于正常运行状态；

S3)启动微波加热组件，加热水泥基材料至指定温度；

S4)控制台24通过红外温度热像采集器11实时监控水泥基材料的表面温度，当温度分布不均匀时调整微波天线17方向，从而保持水泥基材料的表面整体温度一致，当水泥基材料的表面整体温度达到指定温度时，暂停微波加热，待温度降低至最低阈值时重新启动；

S5)待微波加热达到设定时间后，所述微波加热组件停止加热，结束微波预处理阶段，进入碳化养护阶段；

优选地，在微波预处理期间，控制台24通过温度传感器12测量空气温度，当空气温度低于指定温度时，开启引气风扇19、送气风扇9、加热棒10，加快升温速度，帮助维持温度稳定，减少微波组件损耗。

优选地，在微波预处理期间，控制台24通过湿度传感器13测量空气湿度，当空气湿度高于指定湿度时，开启引气风扇19、送气风扇9、除湿器22、以及压缩机23，帮助维持湿度稳定，辅助微波预处理达到预期效果。

S6)在碳化养护期间，控制台24通过温度传感器12、湿度传感器13和二氧化碳浓度传感器14监测内腔3状态，当空气温度过高时，开启引气风扇19、送气风扇9、降温器21和压缩机23，降低空气温度至指定温度；当空气温度过低时，开启引气风扇19、送气风扇9和加热棒10，提高空气温度至指定温度；当空气湿度过高时，开启引气风扇19、送气风扇9、除湿器22和压缩机23，降低空气湿度至指定湿度；当空气湿度过高时，开启引气风扇19、送气风扇9和加湿器7，提高空气湿度至指定湿度；当二氧化碳浓度过低时，开启二氧化碳进气口8，关闭出气口18，提高二氧化碳浓度至指定浓度；当二氧化碳浓度过高时，关闭二氧化碳进气口8，开启出气口18，降低二氧化碳浓度指定浓度；从而使内腔3温度、湿度和二氧化碳浓度维持在指定值；

S7)待碳化养护时间达到设定时间后，一体机停止运作，结束碳化养护；

S8)打开密封门4，将水泥基材料通过导轨5运出内腔3，完成微波预处理和碳化养护。

本实施例中的水泥基材料的微波预处理-碳化养护方法，具体如下：

S1)井字堆叠6层的普硅水泥基材料通过导轨5运送到内腔3的中央位置，并进行固定；

S2)关闭密封门4，并确认一体机处于正常运行状态；

S3)启动微波加热组件，加热水泥基材料至70℃；

S4)控制台24通过红外温度热像采集器11实时监控水泥基材料的表面温度，当温度分布不均匀时调整微波天线17方向，从而保持水泥基材料的表面整体温度一致，当水泥基材料的表面整体温度达到70℃时，暂停微波加热，待温度降低至最低阈值65℃时重新启动；

S5)待微波加热达到2h后，所述微波加热组件停止加热，结束微波预处理阶段，进入碳化养护阶段；

S6)在碳化养护期间，控制台24通过温度传感器12、湿度传感器13和二氧化碳浓度传感器14监测内腔3状态，并根据数据调整相应设备，使内腔3温度、湿度和二氧化碳浓度维持在30℃、70％和12％；

S7)待碳化养护时间达到3h后，一体机停止运作，结束碳化养护；

S8)打开密封门4，将水泥基材料通过导轨5运出内腔3，完成微波预处理和碳化养护。

本发明水泥基材料的微波预处理-碳化养护一体机及养护方法，该一体机占用空间较小，能够提高水泥基材料的碳化养护效率；不仅通过微波预处理保障材料结构不容易被破坏，而且能够自动调节碳化养护的条件，提高碳化养护效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。