一种微波加热物料装置、土壤修复系统

技术领域

本发明涉及环境保护设备领域，尤其涉及一种微波加热物料装置、土壤修复系统。

背景技术

对于被有机污染物污染的土壤而言，一种较常用的修复手段为微波修复。微波加热是基于物质对微波能量吸收产生的升温效应，微波能以电磁波的形式穿透表层，分散于物质的内部，具有其它加热方式所不具备的穿透性能；且微波对土壤环境不仅具有加热作用，还存在“非热效应”，即在微波作用下，反应体系温度在远低于常规加热温度时，表现出与常规加热相同的污染去除效率。当前，微波加热方式适应于挥发性有机物、半挥发性有机物、石油烃、农药等多种土壤有机污染物的去除。

微波修复技术具有高效节能的优点，但在加热分解过程中，物质挥发后的气体难以及时排出，特别对具有部分含水率的污染物进行微波加热时，水分吸收能量后变为水蒸汽，水蒸汽的存在使污染物在高温段升温速率降低，难以达到合适的污染物分解温度，不仅降低了修复效率，同时也浪费了微波的能耗。此外，微波在污染物中的传输与辐射范围有限，导致微波修复时仅能对定量范围的污染物进行修复，如果待修复污染物的量过大，则可能会导致处于微波辐射范围外的部分污染物不会被解吸和裂解。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本申请提供一种微波加热物料装置，包括：

竖炉，所述竖炉的上下两端分别构成进料口与出料口，能够使所述物料由高至低地下落；

气管，套设于所述竖炉内部，并与所述竖炉之间形成用于导入所述物料的环形炉膛，所述气管一端伸出所述竖炉并形成出气口，所述气管处于所述竖炉内的管壁上分布有若干进气孔；

微波引入窗口，环绕所述竖炉设置；

微波发生器，用于通过所述微波引入窗口向所述环形炉膛中环绕地输入微波，所述环形炉膛的环宽小于所述微波在所述物料中的最大穿透范围。

在一种可能的实施方式中，所述气管与所述竖炉均为圆管且两者同轴设置，以使所述环形炉膛构成圆环形炉膛。

在一种可能的实施方式中，所述竖炉内壁与所述气管外壁之间通过支撑件连接，所述支撑件内部中空并连通所述气管内部，在所述支撑件管壁上分布有若干所述进气孔。

在一种可能的实施方式中，还包括电连接的温度探测器与控制器，所述温度探测器的探头一端伸入所述支撑件内部，所述微波发生器受控于所述控制器。

在一种可能的实施方式中，还包括电连接的气压传感器与控制器，所述气压传感器的探头一端伸入所述支撑件内部，所述微波发生器受控于所述控制器。

在一种可能的实施方式中，所述微波发生器设置为多个，若干个所述微波发生器沿所述竖炉的高度方向间隔设置；所述出料口的相对高度高于任意进气孔的相对高度，使所述气管内的热空气由下至上地移动。

在一种可能的实施方式中，靠近所述出料口位置还设有能够控制出料速度的出料机构，所述出料机构的进料端与所述出料口连接。

在一种可能的实施方式中，还包括负压装置，还包括负压装置，所述负压装置靠近所述出气口设置，用于在所述出气口处形成负压区域。

本申请还提供一种土壤修复系统，包括上述的微波加热物料装置。

在一种可能的实施方式中，所述土壤修复系统还包括点火装置，所述点火装置被设置于靠近所述出气口位置，用于燃烧从所述出气口排出的废气。

相比现有技术，本申请的有益效果：本申请提供一种微波加热物料装置，可被用于对含挥发性物质的块状物进行热分解，包括竖炉与套设在竖炉内部的气管，气管与竖炉之间形成有环形炉膛，气管一端伸出竖炉并形成出气口，气管处于竖炉内的管壁上分布有若干进气孔，竖炉的外周还设有向环形炉膛输入微波的微波发生器。根据该方案，块状物中的挥发性物质在微波加热作用下转变成挥发气体，挥发气体从块状物之间的间隙流动，从进气孔进入到气管中，之后从出气口排出，因此该结构能够使挥发气体及时、顺利地排出竖炉；内外管的结构设计有利于控制环形炉膛的环宽，在保持环宽不变的情况下，可以通过增加气管的外径与竖炉的内径，使该结构易于被放大，从而使该装置能够处理的块状物的量不受微波穿透距离的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了微波加热物料装置的纵向结构示意图；

图2示出了微波加热物料装置在鸟瞰视角下的剖视图；

图3示出了部分苯类、酚类化合物的沸点的表格图。

主要元件符号说明：

100-竖炉；110-进料口；120-出料口；130-微波引入窗口；140-收缩段；200-气管；210-出气口；220-进气孔；230-折弯段；300-微波发生器；400-环形炉膛；500-密封进料斗；600-温度探测器；700-出料机构；800-支撑件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

实施例一

请参阅图1与图2，本实施例提供一种微波加热物料装置的结构示意图，被用于对含挥发性物质的块状物进行热分解，挥发性物质可以为酚类化合物或苯类化合物；块状物之间形成间隙，这些间隙被用于使热解吸产生的挥发气体流动。在一些实施例中，这些块状物的初始形态可能为粉末状或者块状(如使块状物冷固结球团)，在被施加压力和/或添加粘结剂或形成块状物，如使用冷固结球团形成块状物，块状物的颗径范围优选在2mm～50mm之间。

微波加热物料装置包括竖炉100、气管200以及微波发生器300，竖炉100用于导入块状物，气管200用于将挥发性物质热解产生的气体排出竖炉100，微波发生器300作为热源使块状物升温以热解吸，并且由于微波的作用能够使一些挥发性有机物的分子键断裂，由大分子有机物转化为小分子有机物，使后续能够对生成气体进行燃烧处理。

竖炉100的上下两端分别构成进料口110与出料口120；进料口110为块状物进入竖炉100的一端，且设置于竖炉100沿重力方向的相对高点位置；出料口120为热处理后的块状物从竖炉100中导出的一端，设置于竖炉100沿重力方向的相对低点位置；块状物能够在重力作用下从进料口110向出料口120方向下落。竖炉100的形状以及其延伸方向不作具体限制，但在一些优选的实施例中，竖炉100为直管且其沿竖直方向延伸，使块状物能够不受阻碍地落下。

具体的，竖炉100由耐火金属材料制成，使其能够封闭与反射微波能量；竖炉100的截面形状不作具体限制，可以为方管、圆管或者其它横截面呈多边形的管状件，竖炉100的长度根据需要设计确定。

气管200套设于竖炉100内部，并与竖炉100之间形成用于导入块状物的环形炉膛400，气管200一端伸出竖炉100并形成出气口210，气管200处于竖炉100内的管壁上分布有若干进气孔220。块状物热解吸产生的挥发气体从进气孔220进入气管200，并从出气口210一端排出。进气孔220的大小与块状物的尺寸相适配，使其半径被限定成使块状物无法进入气管200的宽度。气管200的形状以及延伸方向不作限制，只要其构成中空件，使气体能够在气管200内部流通即可。在图1中，气管200一端从竖炉100上端贯穿以形成出气口210，而在另外一些可能实现的实施例中，气管200的出气口210一端也可以从竖炉100的出料口120伸出，或者贯穿竖炉100的管壁伸出，只要使出气口210一端处于竖炉100外部即可。

请参阅图2，微波引入窗口130环绕竖炉100设置；具体的，微波引入窗口130可以由石英玻璃或氧化铝陶瓷制成，微波引入窗口130的数量可以为多个(例如五个或十个)，若干个微波引入窗口130设置在沿竖炉100管壁周向的平均分布位置。微波引入窗口130的数量也可以为一个，例如将微波引入窗口130设计成环状以环绕竖炉。

微波发生器300用于通过微波引入窗口130向环形炉膛400中环绕地输入微波，环形炉膛400的环宽小于微波在块状物中的最大穿透范围，微波发生器300的数量通常与微波引入窗口130的数量相同。需要说明的是，向环形炉膛400中环绕地输入微波是指从竖炉100的外周向竖炉100的中心轴线方向输入微波，若环宽大于微波的穿透范围，则处于环形炉膛400内侧(即靠近气管200外壁一侧)的块状物难以吸收微波能量而升温。在部分实施例中，微波的穿透范围小于200mm，因此环宽也小于200mm。

可以理解的是，由于微波的穿透距离限制，微波加热时仅能对其穿透范围内的挥发性物质进行热解，如果待热解吸块状物的量过大，则可能会导致处于微波辐射范围外的部分块状物不会被解吸和裂解。

而在本申请中，内外管的结构设计有利于控制环形炉膛400的环宽，在保持环宽不变的情况下，可以通过增加气管200的外径与竖炉100的内径，使该结构易于被放大，从而使该装置能够处理的块状物的量不受微波穿透距离的限制。

为便于理解，以下举例说明但并不代表实际情况。假设微波在某类块状物中的最大穿透距离为200mm，若不设置气管200形成环形炉膛400，则竖炉100的半径始终不能大于200mm，否则就会使处于竖炉100中心的块状物不能被微波辐射升温，因此竖炉100中所能被微波辐射的块状物的量始终有限。

而作为对比采用本申请中的结构时，当竖炉100的内径为300mm，气管200的外径为100mm，环形炉膛400的环宽为200mm，微波刚好能穿透环形炉膛400中的块状物，此时环形炉膛400的横截面面积为大约为628cm

装置其它部分的结构请参考图1，竖炉100竖直设置，在竖炉100上端可选的设有若干个进料口110，任一进料口110均对接有密封进料斗500；在一些优选的实施例中，若干个进料口110在竖炉100上端以竖炉100的几何中心呈对称分布或者阵列分布，以使进入竖炉100中的块状物易于被摊平；此外，进料口110可以被设计成可封闭的结构(例如在进料口110位置设置刀闸阀)，当竖炉100中导入充足分量的块状物后，通过封闭进料口110，避免输入竖炉100中的微波从进料口110位置泄漏。

请参阅图1，竖炉100在靠近出料口120一侧具有以出料口120为中心进行收缩的收缩段140，以使热解吸后的块状物朝出料口120汇聚。考虑到需要阻挡微波泄漏，并且要使块状物在竖炉100中停留一段时间以供其热解吸，因此出料口120也可以被设计成可封闭的结构(例如在出料口120位置设置刀闸阀)。

竖炉100与气管200之间可以设计成可拆卸的连接结构，例如使气管200的一端贯穿竖炉100，之后通过卡箍结构或者法兰盘结构在竖炉100的被贯穿位置将两者卡紧固定。

竖炉100的外壁可以涂覆保温涂层，防止热量散失，保温涂层的厚度不作具体限制，根据设计需要确定。

此外，为了使待热解吸的块状物能够被提取至进料口110位置，在一些实施例中，本装置还包括斗式提升机(图中未画出)，斗式提升机用于将块状物提升至进料斗上方，以方便向竖炉100导入块状物。

请参阅图2，在一些实施例中，气管200与竖炉100均为圆管且两者同轴设置，以使环形炉膛400构成圆环形炉膛400。需要说明的是，在一些实施例中，气管200和/或竖炉100并不一定为圆管，还可以为方管或者其它横截面呈多边形或者不规则形状的管状件，但当采用这些管状件作为气管200和/或竖炉100时，环形炉膛400的环宽并不是一个固定值，不易使环宽与微波的穿透范围相适配；因此在一些优选的实施例中，环形炉膛400的横截面呈圆环形，以使气管200外侧面任一点到竖炉100内侧面的最短距离相同，以便于确认和调整环宽。

具体的，微波发生器300设置为多个，多个微波发生器300沿竖炉100横截面的外周间隔并环绕设置，以向环形炉膛400中环绕地输入微波。可以理解的是，微波发生器300的数量与环形炉膛400的外周长相适配，可以根据设计需要确定。图2中，五个微波发生器300的微波输出口以竖炉100的几何中心呈圆周并等间距分布在外架上，以均衡地输入微波。

请参考图1，在一些实施例中，竖炉100内壁与气管200外壁之间通过支撑件800连接，支撑件800内部中空并连通气管200内部，在支撑件800管壁上分布有若干进气孔220。具体的，支撑件800可以为呈线型的管状件，管状件一端固定连接竖炉100内壁，另一端贯穿并伸入气管200内。管状件用于加强竖炉100与气管200之间的连接稳定性，并使挥发气体通过进气孔220进入管状件内，进而被输入气管200内部，故支撑件800的设置也有利于挥发气体进入气管200，增加挥发气体在环形炉膛400中的流动性。

在一些优选的实施例中，若干支撑件800以气管200为中心向竖炉100一侧发散设置，支撑件800上的进气孔220朝向出料口120一侧设置，以避免从上方落下的块状物堵塞支撑件800上的进气孔220，支撑件800上靠近竖炉100内壁一侧的进气孔220相对较密，使距离气管200较远的挥发气体更易输入支撑件800内。

在一些优选的实施例中，气管200由导热材料制成，使气管200内的气流与块状物能够通过气管200进行热交换。具体的，气管200可以由不锈钢制成，使其具有良好导热性的同时，还具有较好的抗腐蚀性。可以理解的是，距离微波发生器300的位置越远，块状物所能被吸收的微波能量越少；若不设置由导热材料制成的气管200，则环形炉膛400中靠近竖炉100中心轴线部分的块状物热解吸速度相对较低，而在一些气管200由导热材料制成的实施例中，热空气在气管200内流动时可以将热量传导至贴近气管200一侧的块状物，使处于环形炉膛400内、外侧的块状物的升温速度以及热解吸速度更均衡。

请参阅图1，在一些实施例中，出料口120的相对高度高于任意进气孔220的相对高度，使气管200内的热空气由下至上地移动。具体的，若干个微波发生器300自上而下环绕竖炉100的外侧。可以理解的是，靠近出料口120一侧的块状物在下落过程中已吸收了较多的微波能量，使得环形炉膛400内下侧的温度高于上侧的温度，但处于下侧的块状物可能已经被充分热解吸，并不需要过多地辐射微波能量；而处于气管200下侧的热空气上升有利于将下方的热量带动至上方，帮助上方的块状物升温，从而提高能量利用效率。

请参阅图1，在一些实施例中，还包括电连接的温度探测器600与控制器(图中未画出)，温度探测器600的探头一端伸入支撑件内，微波发生器300受控于控制器。具体的，温度探测器600可以为热电偶，控制器可以为PLC或者DSP。热电偶伸入支撑件内既可以帮助热电偶在较近距离下对物料测温，提高准确性，又可以避免物料挤压对热电偶造成损坏。在优选的实施例中，热电偶的数量被设计成多个，多个热电偶沿高度方向依次间隔伸入环形炉膛400中，以对环形炉膛400中各处的温度进行测量。

在对块状物进行热解吸时，由于各处的块状物具有不同的含水量(通常越靠近出料口120一端含水量越低)，所以热解吸各处块状物所需的微波输出功率也有所不同。通过热电偶对竖炉100内各处的温度进行监测，并将该监测数据传输给控制器，控制器将该数据与预设程序中设定的数据进行比较，然后向相对应辐射范围的微波发生器300发送控制信号，实现其功率的对应调整，保证及时有效的对块状物进行热解吸。

在一些实施例中，还包括电连接的气压传感器(图中未画出)与控制器，气压传感器的探头伸入支撑件内，以避免物料挤压对气压传感器造成损坏，微波发生器300受控于控制器。气压传感器用于检测环形炉膛400内的气压并将气压数据传送给控制器，控制器将气压数据与预设程序中设定的数据进行比较。当控制器检测到气压数据较高时，控制器控制微波发生器300降低输出功率，从而减慢挥发气体的产生速度，避免环形炉膛400中气压过大导致气管200或竖炉100破裂。具体的，竖炉与气管采用不锈钢材料制成，竖炉中的气压在20Pa～1000Pa的范围中浮动。

请参阅图1，在一些实施例中，靠近出料口120位置还设有能够控制出料速度的出料机构700，出料机构700的进料端与出料口120连接。具体的，出料机构700可以为螺旋送料机，螺旋送料机的电机可以与控制器电连接，螺旋送料机具有较大的扭矩，以防止处理后的块状物因粘密而导致的卡料。

在一些优选的实施例中，利用热电偶测得竖炉100内的温度，并将该参数传输给控制器，控制器将该参数与预设程序中的数值进行比较，当该参数值低于预设值时，则控制器向微波发生器300发出信号，控制微波发生器300增大功率，并利用控制器向螺旋送料机的驱动电机发出信号，降低螺旋送料机的驱动电机的转子速度，保证块状物在竖炉100中的热解吸效果；当该参数值高于预设值时，则控制器向微波发生器300发出信号，控制微波发生器300减小功率，并利用控制器向螺旋送料机的驱动电机发出信号，增加螺旋送料机的出料速度，在保证块状物热解吸效果的前提下，提高干燥效率。上述措施，能够满足不同量级、不同含水率的块状物的热解吸条件，不仅可以保证热解吸效率，且有利于节约能源。

在一些实施例中，还包括负压装置，负压装置靠近出气口210设置，用于在出气口210处形成负压区域。具体的，负压装置可以为风机，风机的负压面朝向出气口210设置，用于带动竖炉100内的气体被快速抽出。一些优选的实施例中，风机为变频高压风机，根据调节风机频率来调节抽气速度。

在一些实施例中，气管200包括折弯段230，折弯段230的延伸方向与竖直方向之间存在夹角。具体的，请参考图1，折弯段230处于气管200伸出竖炉100的一端上，使折弯段230处于挥发气体的流动路径上，折弯段230与气管200的其它部分连接处呈45°夹角。

由于在气管200上设有若干进气孔220，使块状物中部分体积较小的颗粒物可能通过进气孔220进入气管200，颗粒物被挥发气流携带(挥发气体为热气流，在浮力作用下会上升)，可能通过出气口210被排出；在本实施例中，当挥发气体流动至折弯段230时，折弯段230的内侧壁会对颗粒物产生一定阻碍，使部分颗粒物掉落于气管200中。此外，设置折弯段230有利于调整出气口210的位置。

在一些优选的实施例中，为使气管200中的颗粒物能够从出料口120被排出，气管200处于竖炉100中的底端被设计成开口，且气管200处于竖炉100中的一段为沿竖直方向延伸的直管，使气管200中的颗粒物能够从开口掉出。

在一些实施例中，本装置还包括用于检测块状物中湿度、压力的湿度传感器与压力传感器；压力传感器用于测量块状物中各点压力，辅助判断装置内块状物的质量与体积；湿度传感器用于测量块状物中的含水量；湿度传感器与压力传感器与控制器电连接，控制器根据检测到的湿度数据与压力数据控制微波发生器300的微波输出功率、出料机构700的出料速度等。

本装置的具体工作原理：块状物中的挥发性物质在微波加热作用下转变成挥发气体，挥发气体从块状物之间的间隙流动，从进气孔220进入到气管200中，之后从出气口210排出，因此该结构能够使挥发气体及时、顺利地排出竖炉100；内外管的结构设计有利于控制环形炉膛400的环宽，在保持环宽不变的情况下，可以通过增加气管200的外径与竖炉100的内径，使该结构易于被放大，从而使该装置能够处理的块状物的量不受微波穿透距离的限制。

实施例二

本实施例提供一种微波加热物料装置，被用于烧制物料，本实施例与实施一的区别在于：本实施例中，竖炉与气管均为陶瓷管，且本实施例中，该装置并不限制用于块状物的加热；可以理解的是，由于烧制过程中温度可达千度以上，因此需要耐热性更好的陶瓷材料作为竖炉与气管的主体材料。

实施例三

本实施例提供一种土壤修复系统，包括实施例一中的微波加热物料装置，土壤修复系统被用于修复污染土壤，污染土壤中可能含有挥发性石油烃、多环芳烃等污染物，还可能含有部分水分。传统的土壤修复过程中，水分吸收能量后变为水蒸汽，水蒸汽的存在使污染物在高温段升温速率降低，难以达到合适的污染物分解温度，不仅降低了修复效率，同时也浪费了微波的能耗。而在本申请中，水蒸气能够被及时通过气管200排出，避免水分对土壤后续修复过程的干扰。

在一些实施例中，竖炉100内衬形成光滑的导向面。具体的，竖炉100内衬可以由石英层形成；由于土壤颗粒较大，容易在竖炉100内发生卡滞，石英层的内表面具有光滑的特性，能够避免土壤在竖炉100内发生卡滞，便于保证土壤的有序输送。

在一些实施例中，土壤修复系统还包括点火装置，点火装置被设置于靠近出气口210位置，用于燃烧从出气口210排出的废气。具体的，点火装置可以为液化点火器；图3展示出了部分苯类、酚类化合物的沸点的表格图，可见通过将土壤升温至300℃左右，即可使大部分常见的苯类、酚类化合物挥发，再通过点火装置燃烧挥发气体，生成无害的二氧化碳和水，以解决废气排放的污染问题。

在一些优选的实施例中，土壤修复系统还包括除尘器，除尘器可能为旋风除尘器和/或脉冲袋式除尘器。除尘器对接出气口210，挥发气体先通过除尘器除去绝大部分携带的颗粒物，再通过点火装置进行燃烧。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。