本发明涉及高温热处理电炉行业领域，具体地，涉及一种管式炉的物料进取料装置、一种管式炉和一种煤气化的方法。
背景技术：
在煤的气化反应中，涉及到煤和水的高温反应。对于大规模应用的气流床来说，气化温度一般在1400℃以上。一般的金属材质难以在上千摄氏度的条件下使用，工业上使用耐火砖内壁或水冷壁来解决该问题。但对于小规模实验生产，使用刚玉管的管式炉是满足该反应温度的最佳选择。
然而，使用管式炉(刚玉管炉膛)进行煤气化实验时，有以下技术难点：
首先是向炉膛中通水的问题，向高温刚玉管中通入水，由于局部骤冷会造成刚玉管碎裂；如果向刚玉管中通入高温水蒸气则能够缓解上述情况。但是除管式炉中心加热区外，如果刚玉管提某处存在冷端造成水汽凝结，回流的液态水依然会造成刚玉管碎裂。
另一个是刚玉管密封的问题，一般刚玉管中最明显的冷端在刚玉管两端。如果提高上述冷端的温度，需要使用耐高温密封形式，而一般管式炉的密封形式无法满足要求。如cn103453145a中采用硅橡胶盖挤压密封。此种密封不耐高温，无法满足要求。
此外，要达到上千摄氏度的反应温度，管式炉需要一定升温时间，在升温的过程中煤已经发生了反应，由此达到预设温度后的反应与实际体系相比已经有了偏差。因此，需要先将管式炉升温到预设温度后再将物料加入。
现有技术为了在管式炉中实现即时加料，主要采用以下方式进行：cn204535382u设计了一种自动高温管式炉以实现连续进料。具体公开了将物料置于坩埚中，坩埚通过进料口放进熟料管中，然后使用推棒将坩埚从进料管推进至加热管进行反应。上述步骤不断重复，之前加热管中的坩埚被后续坩埚挤出加热管进入出料管，以完成连续进料。cn204329624u设计了一个管式炉石英管加料装置，由杯盖、递送杯、递送杯底和递送杆组成。使用时将杯盖打开装入物料，然后由递送杆推入炉膛中，待反应结束后，由递送杆拖动递送杯，将其移出管式炉外。整个过程，递送杆停留在管式炉内。cn201762110u设计了一种用于连续化批量生产碳纳米管的高温管式炉设备，并具体公开了多通路料间，彼此通过法兰与主反应管相连。在加料时，打开法兰，通过物料杆将料舟推进反应区。
上述现有技术中关于管式炉的加料方式，大多都是通过料杆将料舟推进炉膛来实现的。反应后料舟的取出方式，或者是通过后续料舟进入将之前的料舟挤出，或者是用料杆将料舟勾出。
然而，煤气化过程中会生成有毒气体，因此要求在反应过程中装置密封。而上述现有技术中描述的方法，虽然能够做到物料的即时加入，但并不能满足装置本身的要求，也难以实现安全生产的目的。
最后是尾气处理问题。煤气化过程会产生co、h2s、no等一系列有毒气体，需要经过处理才能外排。有毒气体中的酸性气体可以通过碱洗的方法脱除，而co需将其氧化成co2才能外排。实验室间歇气化装置产生的气体具有气体流量小、气速不稳定以及气体成分波动大的特点。一般采用将co燃烧处理的方法，然而，由于气量波动使得难以维持火焰稳定；催化氧化的方法中催化剂昂贵，而且尾气中含硫，而容易造成催化剂中毒；工业上如co变换反应或变压吸附等方法并不适用于实验室规模的气体处理。
综上所述，本领域亟需一种能够同时解决高温炉膛通水、刚玉管端口耐高温密封、即时进料和尾气处理的问题的水气混合氛围的热处理管式炉装置。
技术实现要素：
本发明的目的之一是克服现有技术的刚玉管式炉中不能通水的缺陷。
本发明的另一目的是解决在密封条件下即时进料的问题，避免预先加料导致物料在升温过程中性质变化。
本发明的另一目的是克服现有技术的刚玉管式炉不能绿色环保且有效处理有毒尾气的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供一种物料进取料装置，含有该物料进取料装置的管式炉能够实现在高温条件下炉膛通水以及即时进料和处理尾气。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种管式炉的物料进取料装置，该装置包括物料准备间、排气间、物料杆、料仓和隔断件；所述物料准备间和所述排气间通过隔断件控制连通或不连通，所述物料杆用于在开启所述隔断件后控制所述料仓在所述物料准备间和所述管式炉的炉体之间移动；所述排气间的下部设置有凹槽。
第二方面，本发明提供一种管式炉，该管式炉包括水气预热单元、炉体、物料进取料装置和尾气处理单元，所述水气预热单元和所述物料进取料装置与所述炉体通过管线连通，使得来自所述水气预热单元的预热的水气混合物与来自所述物料进取料装置的物料在所述炉体中进行热处理，以及经热处理后得到的尾气进入所述尾气处理单元，其中，所述物料进取料装置为本发明前述的管式炉的物料进取料装置。
第三方面，本发明提供一种煤气化的方法，该方法包括：将水气混合物在水气预热单元中进行预热后经管线引入至管式炉的炉体中，以及将待处理的煤通过物料进取料装置引入至所述炉体中与其中的所述水气混合物进行热处理；然后将热处理后得到的尾气引入至尾气处理单元中进行后处理；其中，所述待处理的煤在所述物料进取料装置的物料准备间引入至料仓中，开启隔断件使得所述物料准备间与排气间连通，并通过物料杆将装有所述待处理的煤的料仓从所述物料准备间经过所述排气间而引入至所述炉体中，并将所述物料杆抽回使得所述物料杆中与料仓直接接触的一端位于所述物料准备间中，以及随后关闭所述隔断件。
本发明提供的管式炉能够实现高温条件下通水，并在到达预设温度后放置物料。另外，本发明的管式炉中设置有尾气处理单元，能够祛除反应过程中产生的有毒气体。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种优选实施方式的管式炉的物料进取料装置图。
图2是本发明的一种优选实施方式的管式炉示意图。
图3是本发明的一种优选实施方式的物料杆的三视图。
附图标记说明
11、水气预热单元12、炉体13、冷凝设备
14、缓冲和碱洗设备15、暗燃烧炉16、物料进取料装置
17、尾气处理单元2a、进气口2b、排气管
21、物料准备间22、排气间23、物料杆
24、料仓25、隔断件
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
第一方面，本发明提供了一种管式炉的物料进取料装置，该装置包括物料准备间、排气间、物料杆、料仓和隔断件；所述物料准备间和所述排气间通过隔断件控制连通或不连通，所述物料杆用于在开启所述隔断件后控制所述料仓在所述物料准备间和所述管式炉的炉体之间移动；所述排气间的下部设置有凹槽。
本发明的所述物料进取料装置能够与管式炉的炉体实现密封连接，使得待处理的物料由物料进取料装置转移至管式炉的炉体中后，能够在相对密闭的环境下进行热处理。另外，密封的体系能够防止有毒气体泄漏。
在本发明中，凹槽的设置能够防止管式炉中的水蒸气在可能出现的冷端冷凝成液体而流回至高温刚玉管内使得温度梯度升高而引起刚玉管碎裂。具体地，凹槽的设置能够使得物料进取料装置中可能产生的水集中在凹槽处，而防止其流入至刚玉结构的炉体中引起刚玉管式炉由于骤冷而碎裂。从而，本发明的所述物料进取料装置能够使得含有该装置的管式炉实现通水以及即时进料。
在本发明中，所述凹槽优选设置在靠近排气间中的与所述刚玉管的连接处，所述凹槽的最大宽度小于等于所述料仓的底面中与所述凹槽的宽度方向一致的最大长度的1/2。
在本发明中，当开启所述隔断件时，所述物料准备间和所述排气间保持连通；以及当关闭所述隔断件时，所述物料准备间和所述排气间保持不连通。并且，在本发明中，隔断件关闭状态下，所述物料杆中能够直接接触所述料仓的一端保持停留在所述物料进取料装置的物料准备间中。
本发明的管式炉的物料进取料装置能够实现手动或自动连续操作，具体地：隔断件关闭状态下，将待处理的物料引入至位于物料准备间的料仓中，然后开启隔断件，使得物料准备间与物料准备间保持连通，并通过物料杆将位于物料准备间的装有待处理的物料的料仓转移至所述管式炉的炉体中，达到所述炉体的目标位置之后，将所述物料杆移回，使得所述物料杆中能够与所述料仓直接接触的一端位于所述物料准备间中，并随后关闭隔断件，使得料仓中的物料在相对封闭的炉体中被处理；处理完成后，开启隔断件，将所述物料杆移至炉体中以将所述料仓返回至物料准备间，并关闭隔断件，以及再次向所述料仓中加入待处理的物料并重复前述步骤以实现连续操作。
优选地，所述隔断件为法兰型刀型闸阀部件、法兰型球型闸阀部件和法兰型多接口直板部件中的至少一种；更优选地，所述隔断件为法兰型刀型闸阀部件。
优选地，所述隔断件通过手动、气动或链动方式控制所述物料准备间和所述排气间连通或不连通。
优选地，所述物料杆中与所述料仓直接接触的一端设置有l型钩子，该物料杆用于将所述料仓推入所述管式炉的炉体中，以及所述l型钩子将所述料仓拖出所述管式炉的炉体。为了更清楚地描述带有钩子的所述物料杆，提供图3所示的物料杆的三视图以进行说明，其中，左上为主视图；右上为右视图；下为俯视图。当将料仓推入所述炉体时，钩子与料仓外沿平行，物料杆前端设置l型钩子的平面与料仓接触而将料仓推入所述炉体中；将料仓拖出所述炉体时，当所述物料杆的前端平面推至与所述料仓接触时，将物料杆旋转90°，使所述物料杆的钩子与所述料仓的外沿垂直并勾住所述料仓，然后退出所述物料杆以拖出所述料仓。
优选地，所述物料杆与所述物料准备间的接触处通过橡胶环进行密封。该处的接触处即为所述物料杆的杆部与所述物料准备间的接触处。使用橡胶环密封该连接处有利于在开启隔断件以将料仓移至炉体中时防止或尽量减少相对低温的水气混合物进入物料进取料装置而进一步进入管式炉的炉体中。
优选地，所述排气间的凹槽处设置有排气管。所述排气管用于将所述排气间中的水气混合物排出。其中，所述排气间中的水气混合物一部分来自于炉体中。
本发明根据图1所示的管式炉的物料进取料装置图提供一种优选的具体实施方式以说明本发明的所述管式炉的物料进取料装置，具体地：
该装置包括物料准备间21、排气间22、物料杆23、料仓24和隔断件25；所述物料准备间21和所述排气间22通过隔断件25控制连通或不连通，所述物料杆23用于在开启所述隔断件25后控制所述料仓24在所述物料准备间21和所述管式炉的炉体之间移动；所述排气间22的下部设置有凹槽。
第二方面，本发明提供了一种管式炉，该管式炉包括水气预热单元、炉体、物料进取料装置和尾气处理单元，所述水气预热单元和所述物料进取料装置与所述炉体通过管线连通，使得来自所述水气预热单元的预热的水气混合物与来自所述物料进取料装置的物料在所述炉体中进行热处理，以及经热处理后得到的尾气进入所述尾气处理单元，其中，所述物料进取料装置为本发明前述的管式炉的物料进取料装置。
在本发明的第二方面的管式炉中所涉及的物料进取料装置即为本发明第一方面中所述的物料进取料装置，为了避免重复，本发明在此不再赘述。
本发明的所述排气间与所述炉体相通。优选地，所述炉体为刚玉管，所述炉体的入口与所述物料进取料装置之间以及所述炉体的底部由石墨垫圈密封。本发明的发明人发现，由石墨垫圈密封所述炉体的入口与所述物料进取料装置之间以及密封所述炉体的底部时，能够获得更好的密封效果。配合本发明的物料进取料装置中设置的凹槽，能够使得本发明的管式炉实现在高温条件下炉膛通水以及即时进料和处理尾气。
优选地，所述尾气处理单元中包括冷凝设备、缓冲和碱洗设备和暗燃烧炉，来自所述炉体的尾气先进入所述冷凝设备中进行冷凝，然后将所得气体引入至所述缓冲和碱洗设备中进行碱洗，以及将碱洗后的气体引入至所述暗燃烧炉中进行燃烧。
优选地，所述炉体中远离所述物料进取料装置的一端设置有进气口，来自所述水气预热单元的预热的水气混合物从所述进气口处引入至所述炉体中。
特别地，在本发明中，来自所述水气预热单元的预热的水气混合物从所述进气口处引入至所述炉体中，并且，通过所述物料进取料装置的排气间的排气管将排气间中的水气混合物排出。所述水气预热单元可以由一段或多段加热炉组成，水和气体的混合物进入加热炉中预热后再引入至炉体。
本发明的所述水气混合物是指含有水、水蒸气或其它气体的混合物。其它气体例如可以包括选自氮气、二氧化碳和氧气的气体。
本发明提供一种如图2所示的优选的具体实施方式的管式炉，具体地：
该管式炉包括水气预热单元11、炉体12、物料进取料装置16和尾气处理单元17，所述水气预热单元11和所述物料进取料装置16与所述炉体12通过管线连通，使得来自所述水气预热单元11的预热的水气混合物与来自所述物料进取料装置16的物料在所述炉体12中进行热处理，以及经热处理后得到的尾气进入所述尾气处理单元17，其中，所述物料进取料装置16为本发明前述的管式炉的物料进取料装置；以及
所述尾气处理单元17中包括冷凝设备13、缓冲和碱洗设备14和暗燃烧炉15，来自所述炉体12的尾气先进入所述冷凝设备13中进行冷凝，然后将所得气体引入至所述缓冲和碱洗设备14中进行碱洗，以及将碱洗后的气体引入至所述暗燃烧炉15中进行燃烧；以及
所述炉体12中远离所述物料进取料装置16的一端设置有进气口2a，来自所述水气预热单元11的预热的水气混合物从所述进气口2a处引入至所述炉体12中。
所述管式炉可以在常压下操作。
在本发明中，优选从所述炉体的进气口到所述水气预热单元的出口处设置保温结构。所述保温结构可以为包覆在从所述炉体的进气口到所述水气预热单元的出口处的管线外周的伴热带或/和保温棉。
第三方面，本发明提供一种煤气化的方法，该方法包括：将水气混合物在水气预热单元中进行预热后经管线引入至管式炉的炉体中，以及将待处理的煤通过物料进取料装置引入至所述炉体中与其中的所述水气混合物进行热处理；然后将热处理后得到的尾气引入至尾气处理单元中进行后处理；其中，所述待处理的煤在所述物料进取料装置的物料准备间引入至料仓中，开启隔断件使得所述物料准备间与排气间连通，并通过物料杆将装有所述待处理的煤的料仓从所述物料准备间经过所述排气间而引入至所述炉体中，并将所述物料杆抽回使得所述物料杆中与料仓直接接触的一端位于所述物料准备间中，以及随后关闭所述隔断件。
本发明的第三方面中所述的煤气化的方法实际是在本发明的第二方面中所述的管式炉中进行的，为了避免重复，本发明在此不再赘述有关管式炉的相关结构。
优选地，所述尾气先进入尾气处理单元的冷凝设备中进行冷凝，然后将所得气体引入至缓冲和碱洗设备中进行碱洗，以及将碱洗后的气体引入至暗燃烧炉中进行燃烧。
优选地，由所述水气预热单元引出的预热的水气混合物的温度为100℃以上；更优选为300℃以上。
优选地，所述暗燃烧炉中填充有氧化铜、氧化镍、氧化铁和氧化锰中的至少一种氧化剂。
优选地，所述暗燃烧炉中的温度为200-500℃；更优选为300-400℃。
优选地，该方法进一步包括：所述暗燃烧炉中的反应结束后，向所述暗燃烧炉中引入空气，使得所述氧化剂再生。
所述暗燃烧炉中的温度不管是在燃烧过程中还是在所述氧化剂再生过程中，温度均为200-500℃；优选为300-400℃。
优选地，所述炉体中进行热处理的温度为800-1600℃。
本发明中，所述缓冲和碱洗设备中可以包括缓冲罐和碱洗罐。所述碱洗罐中可以装有碱金属的碳酸盐或氢氧化物溶液。
优选地，该方法进一步包括：热处理结束后，开启所述隔断件，将位于所述物料准备间的所述物料杆伸入至所述炉体中以将所述炉体中的料仓拖出至所述物料准备间。
在本发明中，在使用所述物料杆将料仓由物料准备间移至炉体中在时，以及热处理结束后，将物料杆移至炉体以拖出所述料仓时，优选缓慢移动所述物料杆，从而能够避免低温的物料杆在进入高温的刚玉管式炉的炉体中时产生水而引起刚玉管碎裂。控制所述物料杆的移动速度能够使得物料杆在进入炉体中间位置之前已经达到较高温，从而能够避免在刚玉管式炉的炉体中产生水。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例采用如图2所示的管式炉进行，并且，管式炉中的物料进取料装置的结构如图1所示，以及所述物料进取料装置的物料杆如图3所示。具体地：
首先，将装填好物料的料仓24放置在物料准备间21，此时隔断件25关闭；当管式炉加热到预热温度(1600℃)后，开启隔断件25，用物料杆23将料仓24推入到刚玉管炉体的确定位置，然后将物料杆23抽回至物料准备间21内，关闭隔断件25。
然后，通入水和氮气(常温常压下的体积比为1：40，下同)，水和氮气经水气预热单元11预热至600℃后由进气口2a处向炉体内通入，反应后生成的气体及剩余水气由排气间22的凹槽下部的排气管2b排出炉体。排出炉体的气体经冷凝设备13将水冷凝，然后经过缓冲和碱洗设备14祛除气体中酸性成分，最后经暗燃烧炉15祛除气体中co和h2后外排。
热处理结束后，结束通水，结束水气预热单元及炉体的加热，持续通入氮气，然后打开隔断件25，将物料杆23缓慢推至料仓所在位置；然后物料杆旋转90°勾住料仓外沿，退出物料杆并将料仓勾至物料准备间，之后关闭隔断件，并开启下一个热处理以连续操作。
在本实施例中，连续操作30次之后均未发现有刚玉管碎裂现象，并且检测由暗燃烧炉外排的外排气可以看出，其中的有毒气体的含量低于检测限(1ppm)。
由上述实施例还可以看出，本发明的方法能够实现即时加料，也即，在炉体的温度达到预设温度之后再将待处理的物料引入至炉体中，从而避免了现有技术使用刚玉管式炉在水气混合气氛中高温处理物料时必须将物料与刚玉管式炉一起进行升温而避免刚玉管碎裂，但是会引起预设温度后的反应与实际体系相比已经有了偏差的缺陷。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。