一种高效节能预氧化炉炉端设备的制作方法

本实用新型是属于预氧化炉子系统的技术领域，该设备是各类基体的原丝做热稳定化处理的，尤其涉及一种高效节能预氧化炉炉端设备。

背景技术：

在碳纤维生产中，预氧化是至关重要的工序，其功能是将线性分子链结构的原丝转化成耐热的梯形分子结构，该工序不仅与碳纤维的性能密切相关，也与碳纤维的制造成本息息相关。

尽管对原丝的预氧化有固体、液体及气流等方法，目前工业界主流的还是采用热风循环烘箱的方式，其中，水平吹风、垂直吹风、侧吹风、中央到两端吹风是目前工业流行的技术。对于任何吹风方式，都有一些共同的技术要求：如温度均匀、风速均匀、风场均匀、能耗低、排废量小、效率高、处理时间短、散热效率高等。

烟囱效应是任何热风烘箱必须面对的自然规律。由于预氧化炉是处理连续纤维丝束面的，所以，炉子只能保持开放状态，以便于丝束面在其中的反复穿行。同时，从工业角度，纤维的预氧化反应会产生大量的hcn、nh3、co、焦油等废气，这些废气必须要及时排出炉膛(预氧化炉)，否则，这些带着可燃成分的气体，一旦因为纤维起火被点燃，会加剧燃烧，甚至爆炸。开放的炉膛，需要及时排除废气，而这些又会导致严重的烟囱效应。由于烟囱效应，在预氧化炉端部的上方进行抽排，在炉端下部的两侧容易进入冷风(预氧化炉外的空气)，即在预氧化炉下部的两侧形成了冷区，这些冷风会通过丝束通道进入预氧化炉的内部，而烟囱效应会加长烘箱(预氧化炉)下半部分的冷区，降低烘箱真实的加热长度，大幅度增加了预氧化炉的能耗。冷区加长所带来的问题是：一、焦油冷凝容易滴落在纤维上污染纤维，造成纤维品质下降；二、纤维有效的热处理、化学反应的时间减少，造成品质不稳定。

既然烟囱效应是不可避免的，如何去利用它，把它变成对预氧化有利的一个事物。这是很多预氧化炉设备制造企业在反复研究的课题。其中最广泛采用的技术是“阻挡”思维，利用各类的气密装置，试图封锁冷气的灌入。从工程实践看，这些措施对于“烟囱效应”的防范功能是微弱的，并未有显著的效益，氧化炉依然是一个“漏风”的炉子，能耗依然高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种高效节能预氧化炉炉端设备，可以实现预氧化炉更长的有效加热长度，更稳定的温度场，更低的能耗。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种高效节能预氧化炉炉端设备，预氧化炉包括多个从下往上依次排列的回风腔体，上下相邻的两个回风腔体之间形成丝束通道，炉端设备包括设有补充新热风的补充腔体、设有抽排废气的抽排腔体；补充腔体位于预氧化炉的下部，抽排腔体位于预氧化炉的上部，补充腔体上设有吹风口，抽排腔体上设有抽风口，吹风口位于丝束通道内或者丝束通道外，抽风口位于丝束通道内或者丝束通道外。

进一步的是：补充腔体有多个，多个补充腔体从下往上依次排列，补充腔体与预氧化炉下部的回风腔体集成为一个腔体，集成在一起的补充腔体和回风腔体之间设有隔离板，最上端的补充腔体的底部设有吹风口，最下端的补充腔体的顶部设有吹风口，其余的补充腔体的顶部和底部均设有吹风口。

进一步的是：抽排腔体有多个，多个抽排腔体从下往上依次排列，抽排腔体与预氧化炉上部的回风腔体集成为一个腔体，集成在一起的抽排腔体和回风腔体之间设有隔离板，最上端的抽排腔体的底部设有抽风口，最下端的抽排腔体的顶部设有抽风口，其余的抽排腔体的顶部和底部均设有抽风口。

进一步的是：吹风口位于丝束通道内，抽风口位于丝束通道内。

进一步的是：丝束通道出口处的上方和下方均设有滑动式安装的节流板。

进一步的是：炉端设备还包括回风循环系统、新热风补充系统、废气抽排系统；新热风补充系统的出风口与补充腔体相通，废气抽排系统的入风口与抽排腔体相通，回风循环系统的入风口与回风腔体的出风口相通，丝束通道流出的新热风流向回风循环系统。

进一步的是：抽风口的吸风方向与丝束面的夹角≤90°，吹风口的吹风方向与丝束面的夹角≤90°，与抽排腔体集成在一起的回风腔体数量为全部回风腔体数量的50％～60％。

进一步的是：抽风口为一条以上的狭缝或者一排以上的通孔，吹风口为一条以上的狭缝或者一排以上的通孔。

进一步的是：回风循环系统设有回风总管道，所有的回风腔体均与回风总管道相通，废气抽排系统设有抽排总管道，所有的抽排腔体均与抽排总管道相通。

进一步的是：丝束通道出口处的两块节流板之间的宽度范围为5～20mm。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

基于深刻理解烟囱效应的工作机理，从排废及冷气灌入两个方面做出全新的设计，本炉端设备的思想，并非“阻挡”烟囱效应，而是合理地疏导与利用这个效应为工艺及预氧化炉服务。废气抽排系统抽排丝束通道中的废气，输送到生产线的废气焚烧系统。新热风补充系统可以对丝束通道补充新的热风，新热风补充系统的热风来源广泛。抽排腔体与回风腔体集成到一起、补充腔体与回风腔体集成到一起，节约设备空间，降低设备成本。节流板既能保持丝束无接触地在炉内通行，又尽可能地减少炉膛与外界的通道，这更加便于废气抽排与新热风补充的效率，最终实现降低氧化炉能耗的目的。

附图说明

图1是预氧化炉和炉端设备结合主视方向的结构示意图。

图2是炉端设备的左视方向的结构示意图。

图3是补充腔体与回风腔体集成俯视方向的结构示意图。

图4是抽排腔体与回风腔体集成俯视方向的结构示意图。

图5是上下两个相邻补充腔体与回风腔体集成主视方向的结构示意图。

图6是预氧化炉的立体图。

图7是预氧化炉俯视方向风的流向示意图。

图8是预氧化炉内吹风机构和回风机构的结构示意图。

图9是吹风机构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

101为保温框架，201为原丝，301为进风管道，302为进风腔体，303为回风腔体，304为回风管道，305为循环风机，306为加热器，307为过滤器，308为吹风喷嘴的孔板，309为吹风喷嘴的蜂窝板，310为抽风喷嘴，311为导风斜板，401为预氧化腔，501为预氧化炉，502为门廊，503为辊架系统，504为新热风补充系统，505为废气抽排系统，601为补充腔体，602为节流板，603为回风循环系统，604为吹风口，701为抽排腔体，704为抽风口。

预氧化炉是对碳纤维(原丝或称为丝束)进行预氧化的，由于丝束在预氧化的过程中，需要穿过整个预氧化炉，因此预氧化炉不可能是全封闭的，预氧化炉是现有技术中的一种设备，预氧化炉一般都包括多个从下往上依次排列的回风腔体，上下相邻的两个回风腔体之间形成丝束通道，即预氧化炉有多个回风腔体，且多个回风腔体从下往上依次排列，上下相邻的两个回风腔体之间存在间隙，该间隙即是用于丝束穿过的丝束通道，丝束是通过预氧化炉外的辊架系统反复穿过预氧化炉的。下文详细描述了预氧化炉的其中一种结构，本申请的炉端设备是应用在预氧化炉端部的。

以下先对炉端设备作详细介绍：

结合图1、图6、图7所示，一种高效节能预氧化炉炉端设备，炉端设备包括设有补充新热风的补充腔体、设有抽排废气的抽排腔体。通过补充腔体在预氧化炉出口处的内或外(丝束通道的内或外)补充新的热风，防止冷风通过丝束通道进入预氧化炉内。通过抽排腔体抽排掉预氧化过程中产生的废气。结合图1和图2所示，将预氧化炉划分为上部空间和下部空间，补充腔体位于预氧化炉的下部，抽排腔体位于预氧化炉的上部，补充腔体上设有吹风口，抽排腔体上设有抽风口，吹风口位于丝束通道内或者丝束通道外，抽风口位于丝束通道内或者丝束通道外，将吹风口和抽风口都设置在丝束通道的内部，可以起到更好的节能效果。

结合图1和图5所示，补充腔体有多个，多个补充腔体从下往上依次排列，结合图3所示，每一个补充腔体与预氧化炉下部对应的一个回风腔体集成为一个金属腔体，即一个补充腔体对应与一个回风腔体(位于预氧化炉下部)制成一个整体的腔体，集成在一起的补充腔体和回风腔体之间设有隔离板，即用隔离板将该整体的腔体划分成了补充腔体和回风腔体。从下往上依次排列的所有补充腔体中，最上端的补充腔体的底部设有吹风口，最下端的补充腔体的顶部设有吹风口，其余的补充腔体的顶部和底部均设有吹风口，图3中的吹风口吹的方向是垂直于纸面的。为了统一制作，也可以所有的补充腔体的顶部和底部均设有吹风口。

参照图1和图5理解，抽排腔体有多个，多个抽排腔体从下往上依次排列，结合图4所示，每一个抽排腔体与预氧化炉上部对应的一个回风腔体集成为一个金属腔体，即一个抽排腔体对应与一个回风腔体(位于预氧化炉上部)制成一个整体的金属腔体，集成在一起的抽排腔体和回风腔体之间设有隔离板，即用隔离板将该整体的腔体划分成了抽排腔体和回风腔体。从下往上依次排列的所有抽排腔体中，最上端的抽排腔体的底部设有抽风口，最下端的抽排腔体的顶部设有抽风口，其余的抽排腔体的顶部和底部均设有抽风口，图4中的抽风口吹的方向是垂直于纸面的。为了统一制作，也可以所有的抽排腔体的顶部和底部均设有吹风口。

结合图5所示，以补充腔体为例进行说明：上下相邻的两个补充腔体之间是存在间隙的，该间隙是用来给丝束穿过的丝束通道，在补充腔体的顶部和底部开设吹风口，该吹风口可以垂直对着丝束吹或者以一定的角度对着丝束吹。当补充腔体的壳体一部分露出在丝束通道的外部时，即可以将吹风口开设在丝束通道的外部，即吹风口的风向是朝着丝束通道的出口处吹的；更为理想的设计是将吹风口设置在丝束通道内。图5中的吹风口是示意图，是在补充腔体顶部(底部)的局部开设吹风口，或者在补充腔体顶部(底部)的全部范围都开设吹风口，图5中，画虚线的吹风口开设在丝束通道外，画实线的吹风口开设在丝束通道外。由于丝束通道内有热风吹入，可以防止冷风从丝束通道进入预氧化炉的内部(预氧化腔的内部)。

丝束通道出口处的上方和下方均设有滑动式安装的节流板，节流板可以上下滑动。丝束通道出口处的两块节流板之间的宽度范围为5～20mm，最好为8～10mm。

炉端设备还包括回风循环系统、新热风补充系统、废气抽排系统。这三大系统属于现有技术，不作进一步的介绍。新热风补充系统的出风口与补充腔体相通，通过新热风补充系统给补充腔体充入新热风。废气抽排系统的入风口与抽排腔体相通，通过废气抽排系统抽走抽排腔体内的废气。回风循环系统的入风口与回风腔体的出风口相通，预氧化腔内的风大部分流入回风腔体，然后再流入回风循环系统，再由回风循环系统流入预氧化炉的进风腔体，再由进风腔体流入预氧化腔内。丝束通道流出的一部分新热风流向回风循环系统，从而进一步流向预氧化腔内。

抽风口的吸风方向与丝束面的夹角≤90°，吹风口的吹风方向与丝束面的夹角≤90°，与抽排腔体集成在一起的回风腔体数量为全部回风腔体数量的50％～60％。

抽风口为一条以上的狭缝或者一排以上的通孔，吹风口为一条以上的狭缝或者一排以上的通孔。

回风循环系统设有回风总管道，所有的回风腔体均与回风总管道相通，各回风腔体的风汇集到统一的回风总管道中，废气抽排系统设有抽排总管道，所有的抽排腔体均与抽排总管道相通，所有废气的总体抽风量可根据抽排风机的转速变化而调整，抽排的废气主要送入废气焚烧系统中。新热风补充腔体的总体吹风量可根据热新风风机的转速变化而调整，或者通过调整回热管道上的阀门来控制。

废气抽排系统抽排丝束通道中的废气，输送到生产线的废气焚烧系统。新热风补充系统可以对丝束通道补充新的热风，新热风补充系统的热风来源，可以是单独的热风补充系统，即一组带风机及加热器的热风系统，也可以是生产线上的余热利用，比如从焚烧炉换热系统引导过来的回收热风。废气抽排系统与热风补充系统，均具有在炉膛宽度方向上，均匀抽风与排风的设计，风速的均匀度为±20％。

抽排腔体与回风腔体集成到一起、补充腔体与回风腔体集成到一起，节约设备空间，降低设备成本。抽排腔体直接对丝束面的上下两面抽排废气，这个位置(丝束通道)是废气刚好排出炉膛的地方，及时抽排，效率高，同时，如果废气进入门廊，气态的焦油与门廊冷部件结合，就会形成污染的焦油。另外当废气进入门廊后再抽排，其中会抽排从门廊处的丝束通道吸入的大量室温空气，导致预氧化炉排废量大增，增加了焚烧的能耗与负荷；补充腔体也是对着丝束的上下两面吹风，这也是由于烟囱效应，室温空气进入炉膛的最后通道，由于补充的是热风，由于与炉膛上端的抽风的温差小，烟囱效应减弱，对室温空气的吸力降低，同时，在丝束通道进入炉膛的新风，对比炉外的室温风，具有优先进入的位置优势。这样，可以极大的减少室温风进入炉膛。因此，整个热风循环系统，只需要较小的加热，就可以维持温度稳定，同时，由于极少的炉膛底部的室温风的侵入，炉膛能保证更长的有效加热温区。节流板既能保持丝束无接触地在炉内通行，又尽可能地减少炉膛与外界的通道，这更加便于废气抽排与新热风补充的效率，最终实现降低氧化炉能耗的目的。本炉端设备，利用热管理的系统思维，将焚烧系统的回热利用，用一定温度的热新风去替代部分或全部试图侵入烘箱的室温新风，最终实现了预氧化炉的更长的有效加热长度，更稳定的温度场，更低的能耗。

下文对一种预氧化炉作详细介绍：需要说明的是，下文所述的预氧化炉并不全是现有技术，其中的对称设置两套热风循环设备的思路以及对吹风机构和回风机构的设计属于申请人的创新点。

结合图6和图7所示，一种形成层流匀风场的预氧化炉，包括保温框架和对称设置在保温框架上的两套热风循环设备。即保温框架上有两套热风循环设备，且这两套热风循环设备是对称设置的。每一套热风循环设备包括至少一套热风循环系统，图6中，只画出了一套热风循环系统，同一套热风循环设备里的所有热风循环系统依次叠放在一起，如图6所示，在左侧的热风循环设备里，可以将所有的热风循环系统从下往上依次叠放在一起，热风循环系统可以采用卧式放置法或者立式放置法，图6采用卧式放置法。

结合图6和图7所示，每一套热风循环系统均包括循环风机、与循环风机输出端连接的进风管道、与进风管道出口相通的吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道。进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道均位于保温框架内。在循环风机的驱动下，风在炉体内循环流动，即在进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道循环。回风管道和进风管道相通。

预氧化炉的进风口在炉膛中央，通过向两端水平吹风方式，部分热风被回风腔体吸入，进入回风循环系统，部分热风通过丝束通道进入了预氧化炉炉端的门廊中，门廊是设置在预氧化炉端部的，丝束穿过丝束通道之后就进入门廊，门廊几乎封闭，可以防止大量废气排在预氧化炉外。

结合图6和图7所示，回风管道内设有过滤器和加热器，沿着风的循环路径，风依次经过循环风机、进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道内的过滤器、回风腔内的加热器。风经过加热器加热后变成热风，热风在循环风机的驱动下依次流过进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构，最后热风流回到回风管道内。丝束在预氧化腔内被热风氧化，风在回到回风管道后，风在回风管道内经过过滤后，再次经过加热器的加热，最后继续在循环风机的驱动下再次按照上述流通方式循环流通。不同的原丝纤维(丝束)有不同的工艺温度，风速过高原丝纤维容易被吹断，风速过低或衰减过大，则不能及时地带走反应热。有关更多热风循环系统的技术方案可以参考专利名称为一种实现多工作温度的丝束平行氧化炉及氧化设备，申请号为201910379440.5的文献。一种形成层流匀风场的预氧化炉的主要创新点在于对称设置两套热风循环设备的思路以及对吹风机构和回风机构的设计上。

下文对吹风机构和回风机构作更进一步的介绍：

结合图8和图9所示，吹风机构有多个，每个吹风机构均包括进风腔体、位于进风腔体内的吹风喷嘴、位于进风腔体内的导风斜板。一个吹风机构有一个进风腔体、一个吹风喷嘴、一块导风斜板。导风斜板是倾斜放置的，用于引导风使得风吹向预氧化腔内。所有的吹风机构依次排列，所有的吹风机构可以是从下往上依次排列，相邻两个进风腔体之间存在间隙，原丝(丝束)穿过相邻两个进风腔体之间的间隙。吹风喷嘴包括孔板和蜂窝板，沿着风的循环路径，风依次经过导风斜板、孔板和蜂窝板，在进风腔体内设置了导风斜板、孔板和蜂窝板，导风斜板设置在进风腔体的入口处，风进入进风腔体后，导风斜板迫使风流向孔板和蜂窝板，蜂窝板可以使得无方向的风变成与原丝纤维平行的风，即从吹风机构出来的风变成了与原丝纤维平行的风，多个吹风机构叠放在一起，即形成了层风，一个吹风机构就是一层风，所有吹风机构吹出来的风即形成了层流匀风场。吹风机构吹出来的风再流向预氧化腔。不同套热风循环设备吹出来热风是相反的，例如图7示意，左侧热风循环设备里热风循环系统内吹出的风向左，右侧热风循环设备里热风循环系统内吹出的风向右。

回风机构的结构形式是：参照图9理解，回风机构有多个，每个回风机构均包括回风腔体、位于回风腔体内的抽风喷嘴、位于回风腔体内的导风斜板。一个回风机构有一个回风腔体、一个抽风喷嘴、一块导风斜板。回风机构中，抽风喷嘴即是孔板，导风斜板是倾斜放置的，用于引导风使得风吹向回风管道内。所有的回风机构依次排列，所有的回风机构可以是从下往上依次排列，相邻两个回风腔体之间存在间隙，原丝(丝束)穿过相邻两个回风腔体之间的间隙。沿着风的循环路径，风依次经过孔板和导风斜板。图6中，显示有3个间隙，即有4个回风机构形成了3个间隙。

采用上述吹风机构和回风机构时，原丝(丝束)依次穿过左侧热风循环设备里相邻两个回风腔体之间的间隙、左侧热风循环设备里相邻两个进风腔体之间的间隙、右侧热风循环设备里相邻两个进风腔体之间的间隙、右侧热风循环设备里相邻两个回风腔体之间的间隙，然后原丝在绕回来，从右侧的热风循环设备穿过左侧的热风循环设备。

吹风喷嘴的孔板与蜂窝板之间的夹角为c，0≤c≤80°，孔板和蜂窝板之间的最小距离为l，0mm≤l≤200m。

吹风喷嘴的孔板上设有通孔，孔隙率为10％～80％，通孔深度h和通孔截面积s之间的关系是：1≤h/s≤60，通孔的截面形状为圆形、三角形或者多边形。

吹风喷嘴的蜂窝板上设有通孔，孔隙率为10％～90％，通孔深度h和通孔截面积s之间的关系是：10≤h/s≤100，通孔的截面形状为圆形、三角形或者多边形。

孔板的通孔截面积和蜂窝板的通孔的截面积相同或者不相同，孔板上的单个通孔截面积s和蜂窝板的单个通孔截面积s之间的关系是：0.2≤s/s≤5。

回风机构的孔板上设有通孔，孔隙率为20％～80％，通孔深度h和通孔截面积s之间的关系是：1≤h/s≤60，通孔的截面形状为圆形、三角形或者多边形。

吹风喷嘴的高度m和抽风喷嘴的高度m之间的关系为：0.5≤m/m≤5。

流入吹风喷嘴的风速为1～15m/s，风速的均匀性≤±10％；吹风喷嘴到抽风喷嘴之间的距离l与进风腔体的体积v和流经进风腔体的风速vd有关，具体的关系表达式为：其中h为进风腔体的高度；u0为流量系数；最大的安装距离l不能超过200mm。

各热风循环系统的风向可以与丝束运行方向同向平行或反向平行；每套热风循环系统的风速可以相同或者有差异；每套热风循环系统可以包括最多1-15组的吹风机构及回风机构(即每套热风循环系统可以处理最多1-15组丝束面。)；同样长度的预氧化单元(左右两侧热风循环设备里的预氧化腔)，吹风机构吹出的风到回风机构时，风会有衰减，长度越长，风越不稳定，衰减越严重，本申请中，每套热风循环系统只是负责一半长度的距离，保持风速的稳定与较低衰减，形成更高效的散热效率；预氧化单元可以叠加，即多套热风循环系统可以叠放在一起，增加预氧化炉单元两端(保温框架两端)的往复导丝辊系统及单元之间的驱动系统，形成新型、高效预氧化装备及工艺，往复导丝辊系统及单元之间的驱动系统可以参照专利名称为一种实现多工作温度的丝束平行氧化炉及氧化设备，申请号为201910379440.5的文献。保温框架内，两套独立运行的热风循环设备，相互没有热风、风道的交集。每一套热风循环系统可以完成一套均风、均温的完整系统。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

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