CN113999975A - 一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，通过分析竖炉内部含锌固废脱锌的还原反应热力学条件，对竖炉外侧壁与顶盖上微波馈入点的分布进行合理设计，在竖炉外侧壁安装m(1≤m≤30000)列微波发生器，对每一列微波发生器数量ni(1≤ni≤2000，i＝1,2,3……)进行设计，使得微波发生器在竖炉外呈均匀或非均匀分布，微波发生器的两种分布都能实现对竖炉内含锌固废均匀加热。从而使得固废脱锌反应充分进行，提高含锌固废锌脱除率。本发明解决了含锌固废受热不均匀问题，可快速、均匀地加热含锌固废，实现锌元素绿色、高效的脱除与回收，减少资源浪费。
Description
技术领域
本发明涉及含锌固废脱锌技术领域和冶金固废综合利用领域，特别是涉及一种固废脱锌中微波点阵分布结构与设计方法。
背景技术
Zn元素被广泛应用于各种工业领域，在钢铁工业，有色金属冶炼以及汽车行业、机械制造等产业中的材料更新换代中，会产生大量的含锌废物(如镀锌废钢、含锌固废等)，如不采取有效的处理手段，会对生态环境与安全生产造成严重危害。
传统的含锌固废处理方式包括安全填埋法、火法与湿法等，这些方式存在处理成本高，能源利用率低，环境污染大，锌的回收利用率低等不足。
还原脱锌过程中的加热方法是粉尘脱锌工艺的重点突破对象，微波加热竖炉作为一种绿色高效的加热装置，能够显著改进脱锌工艺，提高脱锌效率。而微波加热过程中，微波加热的均匀性显得尤为重要，对保证含锌固废脱锌过程的脱锌率和能源的利用率有着重要意义，而目前国内微波加热竖炉装置的微波点阵分布设计还存在很大不足，从而导致微波加热存在着不均匀的问题，脱锌率与能源利用率较低。
发明内容
为了解决现有的技术问题，本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种对含锌固废进行快速、均匀加热的微波点阵分布结构及设计方法，能够实现含锌固废中锌元素的高效脱除，从而提高微波加热竖炉脱锌的脱锌率与能源利用率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微波加热脱除含锌固废中锌元素的装置。本发明特征在于，该装置包括竖炉与微波加热***，在竖炉顶部侧面开有进料口，连接螺旋给料机，竖炉顶部开有尾气出气口；竖炉顶盖分布有微波发生器，使得竖炉顶部进入的含锌固废被均匀加热；竖炉中上部外侧安装有微波发生器，微波发生器在竖炉外侧壁上呈均匀或非均匀分布，且使处于相同高度位置的对侧微波发生器开口方向相互错开，微波发射器的均匀或非均匀分布都能使竖炉内微波分布均匀，微波发生器由变频高压驱动器供能，组成微波加热***；竖炉内壁铺有耐火材料；竖炉下部设为漏斗形，侧面开有出料口，连接螺旋出料机出料；竖炉底部开有气体进气口，连接布袋除尘器出气口。
本发明在竖炉外侧壁安装微波发生器，微波发生器呈均匀或非均匀环绕分布，微波发生器开口均错开对侧的微波发生器开口，使得含锌固废在竖炉内受热均匀。
本发明在竖炉上安装的微波发生器由变频高压驱动器供能，微波功率可调节。
本发明在竖炉顶部安装微波发生器，对于加热原料起到预热作用。
本发明将竖炉底部向上开口作为还原性气体进气口，还原性气体在竖炉中从下向上运动。
本发明所取步骤为：
在竖炉的顶部侧面开设有进料口，连接螺旋给料机；在竖炉顶盖中心开设有竖炉出气口，在竖炉顶盖上加装微波发生器，微波垂直于炉顶盖方向馈入竖炉；在竖炉外侧壁均匀或非均匀安装微波发生器，微波垂直于炉壁方向馈入竖炉，对应位置的微波发生器高度保持一致；将上述微波发生器与变频高压驱动器连接；竖炉下部呈漏斗形；竖炉底部中心位置开有竖炉进气口，可供还原性气体进入，底部侧面开有竖炉出料口，供脱锌料渣的排出。
含锌固废(含锌固废与含碳细粉、粘接剂经过一定比例混合)通过预热炉(300℃)预热后由螺旋给料机通过竖炉进料口加入竖炉内，含锌固废在重力作用下下落，同时还原性气体(300℃)通过竖炉进气口从下而上进入竖炉内，竖炉外安装的微波发生器向竖炉内馈入微波，对含锌固废进行均匀加热，完成还原脱锌，还原剂主要为含碳细粉中的碳，还原性气体中的CO起到辅助作用。
得到脱锌料渣与含锌蒸汽的烟气；脱锌料渣在竖炉底部冷却后经过螺旋出料机排出，含锌蒸汽的烟气通过竖炉顶端的尾气出气口排出；
通过本发明的结构设置及使用该装置采取的工艺步骤，使得本发明有如下技术特点：
1)作为优选的技术方案，微波发生器在竖炉外侧壁的安装呈均匀或非均匀环绕式分布，两种分布方式的微波发生器都能对含锌固废进行快速、均匀的微波加热，并降低脱锌还原反应的反应活化能，从而加速反应进行；
2)作为优选的技术方案，微波发生器在竖炉顶盖上合理安装，对从竖炉进料口进入的含锌固废进行均匀预热，加速反应进行；
3)作为优选的技术方案，微波发生器开口均与水平对侧的微波发生器开口错开，增大有效加热面积；
4)作为优选的技术方案，含锌固废与含碳细粉混合，含锌固废与还原性气体在竖炉中逆向运动，增大反应物接触面积。
本发明工作原理是，通过对竖炉外安装的微波发生器的分布进行设计，使得微波在竖炉内的均匀分布，提高微波对炉内含锌固废加热的均匀性，使含锌固废与还原剂在竖炉内发生还原脱锌反应；由竖炉、微波发生器、电源和线路组成；竖炉垂直安装，竖炉内腔由可以反射微波的耐火材料制成，内部结构满足含锌固废加热还原脱锌所需频率微波的传输条件；竖炉外侧壁由多层可透过微波的保温材料制成，竖炉中上部外侧壁安装m(1≤m≤30000)列微波发生器，一列微波发生器数量为ni(1≤ni≤2000，i＝1，2，3……)个，微波发生器在竖炉外侧壁呈均匀或非均匀环绕分布，每个微波发生器与对侧微波发生器高度保持水平，开口方向相互错开，以增大有效微波加热面积，微波在竖炉内壁上发生反射，最终实现对竖炉内含锌固废的均匀加热；微波能在含锌固废内转化为热能，加热含锌固废并降低含锌固废中含锌氧化物的还原反应的反应活化能，微波发生器由变频高压驱动器供能，微波功率可调；在竖炉顶部安装有微波发生器，对由竖炉顶部侧面的竖炉进料口进入的含锌固废进行预热；竖炉顶部开有出气口，用于排出含锌蒸汽的烟气；竖炉底部开有进气口，用于还原性气体的通入。
本发明与现有技术相比，具有了如下的技术特点与显著优点：
1.本发明方法显著提高含锌固废脱锌效果、质量；
2.本发明对微波发生器的在竖炉外的点阵分布进行合理设计，使得竖炉内微波分布更加均匀，进而使得含锌固废在炉内受热均匀。
3.本发明对微波发生器在竖炉顶部的分布进行合理设计，使得微波在竖炉顶部分布更加均匀，提升了含锌固废进入竖炉时的预热效果。
4.本发明对竖炉炉壁选材进行合理设计，保证了竖炉炉壁对微波的透过性与微波在炉腔内的反射，提高了微波加热的效率与能源的利用率，降低了能耗。
5.设备有着良好的通用性，可广泛用于微波加热条件下的固相与气相化学反应，比如利用碳粉、CO还原铁矿中的氧化铁。
附图说明
图1是本发明优选实施例结构示意图。
图2是本发明优选实施例结构俯视图。
图3是本发明优选实施例纵截面结构示意图。
图4是图1中沿着A-A线的剖面图。
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，旨在用于解释本发明，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“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，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
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，或一体地连接可以是机械连接，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。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。
见图1～4，一种固废脱锌中微波点阵分布的结构，其特征在于，该装置包括微波加热装置，在竖炉Ⅰ顶部侧面开有进料口Ⅱ，连接螺旋给料机Ⅲ，竖炉Ⅰ顶部开有尾气出气口Ⅳ；竖炉Ⅰ顶部安装有微波发生器Ⅴ；竖炉Ⅰ中上部外侧安装有微波发生器Ⅴ，微波发生器Ⅴ在竖炉Ⅰ外侧呈环绕式分布，微波发生器Ⅴ由变频高压驱动器Ⅵ供能，组成微波加热***；竖炉Ⅰ内壁铺有耐火材料；竖炉Ⅰ下部设为漏斗形，侧面开有出料口Ⅶ，连接螺旋出料机Ⅷ出料；竖炉底部开有气体进气口Ⅸ，供还原性气体通入。
实施例1：
本优选实施例中，提供了一种固废脱锌中微波点阵及设计方法，如图1～3所示，包括如下步骤：
见图1～3，将竖炉1中上部外侧壁均匀分为8等份，每一等份对应竖炉1炉腔的圆心角为45°，在竖炉Ⅰ外壁每一等份的右侧自上而下均匀安装一列微波发生器Ⅴ，单个微波发生器Ⅴ微波辐射面积为20*30cm，微波馈入方向垂直于竖炉Ⅰ外壁。设计每一列的微波发生器Ⅴ数量相同，使得微波发生器Ⅴ在竖炉Ⅰ外呈均匀环绕式分布；或设计每列微波发生器Ⅴ数量不同，使微波发生器Ⅴ在竖炉Ⅰ外呈非均匀环绕式分布。例如，设计相邻列的微波发生器数量分别为n、n+1，本实施例中n＝4，使得微波发生器Ⅴ在竖炉Ⅰ外呈非均匀环绕式分布，每个微波发生器Ⅴ与对侧微波发生器Ⅴ高度保持水平，开口方向相互错开，以增大有效微波加热面积，提高微波在竖炉Ⅰ内部分布的均匀性，从而提升含锌粉尘冷压块Ⅹ在竖炉内受热均匀性，增强含锌粉尘冷压块Ⅹ加热脱锌效果。
见图2～3，将竖炉Ⅰ顶盖均匀分为4等份，每一等份对应竖炉顶盖圆心角为90°，在竖炉Ⅰ顶盖每一等份合适位置安装微波发生器Ⅴ，微波馈入方向垂直于竖炉顶盖，使得微波辐射点在竖炉Ⅰ顶盖呈均匀分布，进而使得竖炉顶部微波分布均匀，提高对竖炉Ⅰ顶部进料口Ⅱ处进入的含锌粉尘冷压块Ⅹ受热均匀性，提升预热效果。
实施例2：
本优选实施例是一种固废脱锌中微波点阵分布及设计方法的使用例，如图3～4所示。
见图3，含锌冷压块Ⅹ(含锌固废与含碳细粉、粘接剂按一定比例混合压制得到)预热至温度300℃后通过竖炉Ⅰ顶部侧面的进料口Ⅱ由螺旋给料机Ⅲ加入竖炉Ⅰ，在竖炉Ⅰ顶部受到微波发生器Ⅴ的预加热，进入竖炉Ⅰ的含锌冷压块Ⅹ在重力的作用下向下移动；含锌冷压块Ⅹ预热时产生的还原性气体，从竖炉Ⅰ底部的进气口Ⅸ加入竖炉Ⅰ内部，还原性气体在温度的作用下向上运动；竖炉Ⅰ外壁安装的微波发生器Ⅴ总功率控制为40KW，由变频高压驱动器Ⅵ供能，微波发生器Ⅴ向竖炉Ⅰ中发射微波，加热含锌冷压块Ⅹ并降低还原反应的反应活化能，加快还原反应速度，含锌冷压块Ⅹ中的含锌氧化物与含碳细粉与发生还原反应，还原性气体中的CO起到辅助作用，反应化学方程式为：
ZnO+C＝Zn(g)+CO(g)
ZnFe2O4+4C＝Zn(g)+2Fe+4CO(g)
ZnO+CO(g)＝Zn(g)+CO2(g)
含锌冷压块经过还原反应得到脱锌料渣Ⅺ与含锌蒸汽的烟气，脱锌料渣Ⅺ在竖炉Ⅰ底部冷却后通过螺旋出料机Ⅷ从竖炉出料口Ⅶ排出，含锌蒸汽的烟气上升由竖炉出气口Ⅳ排出。
在上述实施例的描述中参考术语“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
综上所述，本发明提出了一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，主要包括以下技术特点：通过分析竖炉内部含锌固废脱锌的还原反应热力学条件，对竖炉外侧壁与顶盖上微波馈入点的分布进行合理设计，使微波发射器在竖炉外均匀或非均匀分布，都将使微波在竖炉内的分布更加均匀，对含锌固废均匀加热。微波加热装置由竖炉、微波发生器、电源和线路组成，通过微波传导实现对炉腔内部冶金含锌固废的高效处理。本发明解决了含锌固废受热不均匀问题，可快速、均匀地加热含锌固废，实现锌元素绿色、高效的脱除与回收，减少资源浪费。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，只要是微波发射器在竖炉外均匀或者非均匀分布，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：
该结构包括竖炉与微波加热***，在竖炉的顶部侧面开设有进料口，连接螺旋给料机；在竖炉顶盖中心开设有竖炉出气口，在竖炉顶盖外加装微波发生器，微波发生器在竖炉顶盖外呈均匀或非均匀分布微波垂直于炉顶盖方向馈射入竖炉；在竖炉外侧壁安装m列微波发生器，微波垂直于炉壁方向馈射入竖炉；将上述微波发生器与变频高压驱动器连接；竖炉外侧炉壁中上部安装有微波发生器；竖炉底部中心位置开有竖炉进气口，可供还原性气体进入，底部侧面开有竖炉出料口，供脱锌料渣的排出。
2.根据权利要求1所述的一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：
竖炉外安装m列微波发生器，m取值范围1≤m≤30000。
3.根据权利要求1所述的一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：竖炉外侧壁安装微波发生器，使微波发生器均匀或非均匀环绕分布在竖炉外侧壁上，每一列微波发生器数量为ni(1≤ni≤2000，i＝1,2,3……)。
4.根据权利要求1所述的一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：微波发生器在竖炉外呈均匀分布或者非均匀分布，都能使得竖炉内微波分布更加均匀，从而对含锌固废均匀加热。
5.根据权利要求1所述的一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：微波发生器由变频高压驱动器供能，微波频率对应于含锌固废脱锌还原所需加热温度，微波功率可以调节。
6.根据权利要求1所述的一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：在竖炉顶盖处安装的微波发生器，对竖炉进料口加入的含锌固废进行预热，加快脱锌还原反应进行。
7.根据权利要求1所述的一种固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：竖炉外侧壁安装的微波发生器的开口均与对侧的微波发生器高度保持水平，开口方向错开，增大有效加热面积。
8.根据权利要求1所述的固废脱锌中微波点阵分布结构及设计方法，其特征在于：竖炉外侧壁与顶盖安装的微波发生器功率均为1kw。
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2021
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