发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种充分还原气氛多用途的流化床式沸腾炉装置及系统，适用于粒度在0～5mm金属氧化矿、硫化矿焙烧、还原；粒度在0～6mm非金属矿脱碳(CO₂)、脱氧、脱水(结晶水)的焙烧或烧结；也适合生物质材料、有机垃圾、低阶煤甚至是页岩的无硝、无二噁英、无焦油生成的快速热解气化生物质燃气并联产木炭或生物质炭副产品；粉状低阶煤压块后，也可用于生产兰炭或型焦；具有连续生产、热效率高、炉温稳定、焙烧温度均匀、温度容易控制、质量均衡特点，而且，还是充分还原气氛的一种流化床式沸腾炉装置系统。

具体技术方案如下：

本发明的目的之一是提供一种充分还原气氛多用途的流化床式沸腾炉装置，其炉体由耐火砖炉墙砌筑，其炉体内腔内从上至下依次由鼓风耐热钢底板和加热室隔板分隔为炉膛、上加热室和下加热室；

所述的下加热室内设置换热环管；所述的鼓风耐热底板上设置多个风帽，所述的风帽的出风端朝向炉膛，进风口通过鼓风管穿过加热室隔板连通换热环管；

所述的鼓风耐热底板上开设多个落料孔，相应于落料孔连接落料反应管，所述的落料反应管穿过加热室隔板，通向设置于炉体底部的集料斗；

所述的加热室隔板开设下加热室排烟孔；

所述的上加热室和下加热室内均设置多个加热室烧嘴；

所述的换热环管设置连通炉体外的换热管煤气入口，所述的上加热室开设废烟气出口，所述的炉膛顶部开设煤气出口。

本发明的沸腾炉装置的焙烧物料一般是配加了10～90％以上的煤粉的常温含水的焙烧物料，其粒度一般在0～6mm。

使用该沸腾炉装置时，将被烘干和预热到300～500℃的焙烧物料加入炉膛内；鼓风管经过上加热室和下加热室两次换热加热，管内的气体被加热到 800～1000℃，而每根鼓风管上端均与一个风帽密闭焊接，其风压一般在12～ 22KPa、物料松装密度一般在0.8～2.6t/m³，具有一定压力的热风，通过多个风帽侧面的风孔，将鼓风耐热钢底板上温热的焙烧物料鼓动成沸腾物料状，固体颗粒悬浮于气流中，气相与固相接触面积大，故加热分解速度快，热效率高，使其快速，甚至闪速反应。

炉膛产生的煤气温度一般为800～900℃，可再经加压风机被加压到12～ 22KPa，经换热管煤气入口和换热环管及上加热室的鼓风管两次进一步加热到900～1000℃后，直接通过风帽鼓入物料中，形成高温无氧的沸腾物料，焙烧物料中的煤粉被快速热解和气化，并形成大量的混合煤气，同时，也对焙烧物料中纯物料进行了焙烧、烧结或还原了。

整个炉膛内是没有明火的，也是全封闭的，因此，炉膛内是充分、深度的还原气氛，是一个深度还原沸腾炉装置。而且，炉膛内物料的温度一般在 800～1000℃，最低温度也是800℃以上，因此，加入炉膛内的焙烧物料快速进行形成沸腾物料，单颗粒物料也在几秒钟内被加热到800℃以上，迅速进行激烈还原反应，或者快速焙烧脱水(物料中的结晶水)、脱氧、脱碳(CO₂) 等反应。由于鼓风管的风温始终保持在800～900℃，因此，炉膛内的炉温稳定、焙烧温度均匀，也可根据上加热室和下加热室的温度，来控制鼓风管的风温，因此，炉膛的温度也很容易受到控制，最终使烧成产品活性大，质量均衡。

炉膛与上加热室之间是由鼓风耐热钢底板隔开的，鼓风耐热钢底板是 310S或314耐热钢材质，风帽耐热钢底板也可以将部分上加热室的900～ 1000℃的温度辐射和传导给沸腾物料，也起到增加炉膛的热量，提高炉膛的温度。

由于沸腾物料呈动态、沸腾状，有些物料会逐渐落入落料反应管内，开始缓慢下落并被继续隔焰加热和继续进行深度反应。焙烧物料被焙烧或烧结或热解或还原到一定时间后，这时候，也许还没有反应充分和彻底，就逐渐落入落料反应管内；由于落料反应管是竖直向下穿过上加热室和下加热室两个加热室，最后到达集料斗，此过程需要20mi n～1h的时间，而且，其温度一直在800～1000℃，继续进行隔焰加热，因此，落料反应管内物料，经历了二次焙烧、烧结、热解或深度还原反应，使其物料反应更加充分和彻底。

300～500℃温热的焙烧物料进入炉膛，瞬间变成沸腾物料，焙烧物料内的煤粉或者生物质材料、有机垃圾、低阶煤或页岩里的有机物，也瞬间发生了热解、气化，并迅速析出焦油，但炉膛内的物料温度，始终保持在800～ 1000℃，因此，有机物在高温和充分还原气氛中，迅速热解气化，并迅速开始析出焦油，由于炉膛的温度偏高，焦油会快速发生二次分解，部分焦油会快速碳化并使其身旁的固体物出现被“浸润”现象，发生组织再次排列现象，部分焦油同时被碳化，形成高温粘结剂，将球块固结成整体的块状物。

由于炉膛内没有明火，也没有物料被燃烧现象，因此，焙烧物料内的有机物可热解气化出大量温度在800～900℃，高温显热的高纯煤气，最后从煤气出口处被引出。

炉膛产生的高纯煤气可加压通入换热环管作为还原热风，也可作为加热室烧嘴的燃料。

下加热室四周设有多个烧嘴，燃烧煤气可来源于炉膛的煤气出口，将煤气压力减缓到3～5KPa，为换热环管进行第一次加热。换热环管上密闭焊接了多根鼓风管，穿过上加热室，而上加热室的四周也设有多个烧嘴，其燃烧煤气也可来源于炉膛产生的煤气，将煤气压力减缓到3～5KPa，为多根鼓风管进行第二次加热，使鼓风管内的风温保持在800～1000℃，最后鼓风管的高温热风通过风帽释放，使炉膛内的物料形成沸腾物料状态。

本发明的沸腾炉装置适用于如下反应：

1)还原反应：

加入0～5mm的氧化铁、氧化锰、氧化镍、氧化锌等粉状氧化矿，会迅速与CO、H2还原气氛进行还原反应；

本发明适合氧化物矿磁化焙烧和还原应用。

2)分解CO₂反应：

加入0～6mm的石灰石、菱镁矿、白云石、碳酸锰等粉状碳酸矿，会迅速与高温直接分解反应，生出CO₂或分解出结晶水；

本发明适合碳酸矿分解应用。

本发明适合硫化铜、硫化铜、硫化钼等硫化矿的焙烧和分解应用。

3)热解气化反应：

加入1～50mm的生物质颗粒、有机垃圾、页岩，会迅速与高温直接进行热解气化反应，生出CO、H₂、CH₄等可燃气体，但不能分解挥发出焦油，因为，在800～1000℃时，分解的焦油会被快速二次再分解，也就是说，物料分解出的焦油来不及挥发，又被再次热解或裂解了，因此，混合煤气中一般不会再含有大量的焦油了；而且，也不会产生二噁英有害气体，也不具备产生NOx 的条件，被称为：无硝、无焦、无二噁英热解气化高纯煤气。

本发明的装置非常适合生物质颗粒、有机垃圾、低阶煤甚至是页岩热解气化高纯煤气的应用，而且还可联产木炭或生物质炭副产品。

4)烧结或固化：

低阶煤用于烧结兰炭或半焦，传统的窑炉一般只能采用块状煤炭，而粉状煤冷压球强度再高，经过热解气化和烧结，也不会成块；而采用本发明装置，可将低阶煤粉冷压成球后，加热本装置，即可热解气化和烧结成块状兰炭或半焦产品。因为，焦油在800～1000℃时会二次热解和气化，同时在二次热解前会“浸润”固定碳，使其发生组织再次排列并迅速碳化，此过程像发生和形成高温粘结一样的作用，因此，低阶煤块在高温时也会具有较高的粘结性或固化性，从而使兰炭或型焦冷却后，仍然具有较高的常温强度并成块。

进一步，所述的集料斗外部设置水冷套。水冷套由进水口打入循环冷水，经过水冷套后，从出水口排出，对水冷套内的物料进行间接冷却。

进一步，所述的煤气出口连接煤气管，为了保险，所述的煤气管设置自动防爆阀。

进一步，所述的上加热室和下加热室均开设人孔，用于维修。

进一步，所述的加热室烧嘴周向均匀分布于加热室侧壁。

进一步，所述的风帽的出风口为多个，周向分布；所述的出风口优选朝向鼓风耐热底板倾斜。

进一步，落料反应管材质一般为310S或314，其直径为￠300～500mm，不宜太细，也不宜太粗。

进一步，鼓风耐热钢底板一般采用310S或314耐热钢制作，除了作为沸腾物料的平台，还可将上加热室900～1000℃温度的部分热量，隔焰反射给沸腾物料，从而增加炉膛的热量。

进一步，整个沸腾炉装置由沸腾炉支腿支撑。

本发明的目的之二是提供一种包括上述沸腾炉装置的充分还原气氛多用途的沸腾炉系统。

一种充分还原气氛多用途的沸腾炉系统，其包括沸腾炉装置，还包括煤气循环管路，炉膛的煤气出口分别通过管路通向换热管煤气入口和加热室烧嘴；风压通过风机控制。

由于炉膛内没有明火，也没有物料被燃烧现象，因此，焙烧物料内的有机物可热解气化出大量温度在800～900℃，高温显热的高纯煤气，最后从煤气出口处被引出，可作为沸腾炉加热烧嘴的燃料，并可用于鼓风管的还原气体高温热风的供应。

炉膛产生的煤气温度的显热一般为800～900℃，再经加压风机被加压到 12～22KPa，经换热管煤气入口和换热环管及上加热室的鼓风管两次进一步加热到900～1000℃后，直接通过风帽鼓入物料中，形成高温无氧的沸腾物料。将煤气压力减缓到3～5Kpa，供给上、下加热室的烧嘴。

剩余的大量煤气引出后可用于发电、加热热水、燃烧等应用，本部分的煤气为高纯煤气，其热值一般在15600～18800KJ/Nm³。

进一步，上述系统还包括烘干预热装置，所述的烘干预热装置设置热风环管；所述的上加热室的废烟气出口通过废烟气支管连接高温烟气收集环管，所述的高温烟气收集环管通过高温烟气管路通向热风环管；所述的烘干预热装置连接烟气收集环管。

下加热室产生的烟气通过下加热室排烟孔排入上加热室内，并同上加热室产生的烟气一起通过废烟气支管，进入高温烟气收集环管。将上加热室 800～900℃的高温烟气，打入热风环管，先对焙烧物料进行烘干和预热到 300～500℃，再通入炉膛。

再进一步，所述的烘干预热装置的进料口连接密闭给料装置；所述的烘干预热装置的出料口连接螺旋密闭给料装置，所述的螺旋密闭给料装置通向炉膛的进料口，可将物料密闭加入炉膛的鼓风耐热钢底板上；所述的集料斗连接水冷螺旋出料装置，对物料进行进一步间接冷却。

再进一步，所述的烘干预热装置的烟气收集环管依次连接旋风除尘器和布袋除尘器。

烘干和预热装置的低温废烟一般在140～180℃，由烟气收集环管收集后，经旋风除尘器和布袋除尘器进行除尘。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的沸腾炉装置的气氛为深度还原气氛。

物料为烘干和预热后密闭给料。炉膛产生的煤气温度一般为800～900℃，再被加压到12～22KPa，经换热环管及鼓风管两次进一步加热到900～1000℃后，直接通过风帽鼓入物料中，形成高温无氧的沸腾物料，焙烧物料中的煤粉被快速热解和气化，并形成大量的混合煤气，同时，也对焙烧物料中纯物料进行了焙烧、烧结或还原了。整个炉膛内是没有明火的，也是全封闭的，因此，炉膛内是充分、深度的还原气氛，是一个深度还原沸腾炉装置。

2、无硝、无焦、无二噁英热解气化有机物，应用领域广阔。

整个炉膛内是充分、深度还原气氛，而且，炉膛内物料的温度一般在 800～1000℃，最低温度也是800℃以上，因此，焙烧物料快速进行形成沸腾物料，单颗粒物料也在几秒钟内被加热到800℃以上，迅速进行激烈还原反应，或者快速焙烧脱水(物料中的结晶水)、脱氧、脱碳(CO₂)等反应。适用于粒度在0～5mm金属氧化矿、硫化矿焙烧和还原；粒度在0～6mm非金属矿脱碳(CO₂)、脱氧、脱水(结晶水)的焙烧或烧结；也适合生物质材料、有机垃圾、低阶煤甚至是页岩的无硝、无二噁英、无焦油生成的快速热解气化生物质燃气并联产木炭或生物质炭副产品；粉状低阶煤压块后，也可用于生产兰炭或型焦。

3、本发明可对物料继续进行二次隔焰焙烧、烧结、热解、深度还原。

焙烧物料密闭进入炉膛，还原气体高温热风通过风帽，使其形成沸腾物料，焙烧物料被焙烧或烧结或热解或还原到一定时间后，这时候，也许还没有充分反应彻底，就逐渐落入落料反应管内；由于落料反应管向下是穿过上加热室和下加热室的两个加热室，最后到达集料斗，此过程需要20mi n～1h 的时间，而且其温度一直在800～1000℃内进行隔焰反应，因此，落料反应管内物料，经历了二次隔焰式焙烧、烧结、热解或还原反应，使其物料反应更加充分和彻底，从而，实现了物料反应充分性和彻底性。

4、可进行隔焰辐射加热。

鼓风耐热钢底板是310S或314耐热钢材质，可以将部分上加热室的 900～1000℃的温度辐射和传导给沸腾物料，也起到增加炉膛的热量，提高炉膛的温度。