CN102636033A - 炉气氛发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热处理炉(8),其包括气体发生器(1),所述气体发生器(1)具有通过甲醇进料管线(2)连接到甲醇供应装置的甲醇入口,和一个或多个用于解离的甲醇的气体出口(6),其中所述气体发生器(1)位于炉(8)内。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理炉,其包括加热区和冷却区和气体发生器,所述气体发生器具有通过甲醇进料管线连接至甲醇供应装置的甲醇入口和一个或多个用于解离的甲醇的气体出口。本发明还涉及一种在炉中提供热处理气氛的方法,所述炉包括加热区和冷却区,其中将甲醇提供到气体发生器并且其中所述甲醇在所述气体发生器中解离以产生CO和H2,并且其中所述CO和H2被引入所述炉。
背景技术
在现有技术中,利用放置在热处理炉内的反应器的热处理工艺是已知的。例如,美国专利US5,160,380涉及用于制备在热处理中使用的处理气体的工艺和装置,其中处理气体在配置催化剂甑的炉中在甑被定位在炉中的温度下被制备。
然而,这种设备通常是复杂的并且是需要高度维护的。
注入甲醇到炉内并且使得甲醇解离也是已知的。然而,例如在烧结炉中这种方法是不实际的,因为具有陶瓷和金属甑或马弗炉钻孔以使用合适喷嘴的烧结炉的结构被证明是不实用的。还有一种风险是液体甲醇可以到达炉部件或烧结部件并且损坏它们。而且,当液体甲醇置于部件上时,它可能不合适地解离并且产生不需要的气氛组分。直接注入液体甲醇的另一个缺点是离解反应的吸热特性,其带走热并且可能在烧结部件中引起问题,例如脱碳或部分氧化。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于产生热处理气氛的方法和装置。另一个目的是提供一种用于提供炉气氛且没有太复杂的结构的方法和装置。
上述目的通过以下的热处理炉而实现,该炉包括加热区和冷却区和气体发生器,所述气体发生器具有通过甲醇进料管线连接至甲醇供应装置的甲醇入口和一个或多个用于解离的甲醇的气体出口,其特征在于所述气体发生器安装在加热区和冷却区的接触区域处。
根据本发明的方法,提供一种在炉中的热处理气氛,所述炉包括加热区和冷却区,将甲醇提供到气体发生器并且所述甲醇在所述气体发生器中被解离以产生CO和H2,并且所述CO和H2被引入所述炉中,其中所述气体发生器被安装在所述加热区和冷却区的接触区域处,并且所述气体发生器通过在所述炉内的气氛被加热。
术语“气体发生器”意指用于产生和/或提供气体到热处理炉的单元或装置。术语“气体”也包含气体混合物。气体发生器优选地以箱,块,腔,容器或包壳的形式与反应器或反应室一起设计为用于解离甲醇。反应器优选地具有高热导率的壁以便提高从炉和/或从炉气氛到达并进入反应器的传热。气体发生器可以包括附加的气体进料管线,其可以提供气体到达反应器和/或直接地进入炉和/或到达第二反应器或到达另一个气体处理单元。
本发明基于在气体发生器中产生炉气氛或炉气氛的气体组分,并且利用在炉中已经可用的热的思想。用于解离甲醇的所需热量从炉气氛和/或炉本身获得。根据发明的装置,解离发生在气体发生器的反应器中,即,不直接地在炉中分解。反应产物,即,CO和H2被输入熔炉中,并且任何未解离的甲醇留在反应器中。由此,没有可以损害热处理物体的表面的甲醇进入炉中。
而且,本发明使用气体发生器保证了进入气体发生器的全部甲醇经受相同的反应条件。由此,提供了均匀的和可重复的反应和解离条件。
本发明的思想在于利用在炉中已经可用的热来引发,增强和/或提高甲醇的解离。因此,可以确保从炉到气体发生器和/或从炉气氛到气体发生器的良好的传热。优选地,气体发生器或至少反应器位于炉内,进一步优选地,气体发生器或反应器以如下方式设置,使得其基本上由炉气氛从各方向围绕。由此,从炉气氛进入气体发生器之内和进入反应器之内的热输入最大化。
如上所述的,本发明基于使用炉加热以增强在气体发生器中甲醇的解离的原则。气体发生器将与炉和/或炉气氛热交换接触,由此来自熔炉的部分热传递到并且进入气体发生器和反应器(作为气体发生器部分)之内。因此,还可以在与炉壁直接接触中设置气体发生器。气体发生器甚至可以定位在炉外面并且某种热循环或传热介质被用来将来自炉的热传递到气体发生器。然而,气体发生器安装在炉内是优选的。
根据本发明,甲醇,以液体或蒸发状态,被提供到气体发生器并且在反应器中解离成CO和H2。甲醇优选地与气态氮一起被提供到气体发生器。优选地,使用按重量计算70-95%甲醇和按重量计算5-30%氮的混合物。氮和甲醇的混合物,优选地蒸发的甲醇,在0.5bar(绝对值)至4bar(绝对值)之间的压力下送到气体发生器。
本发明的炉包括加热区和冷却区,并且所述气体发生器安装在加热区和冷却区的接触区域处。例如,在连续炉中被热处理的部分首先通过加热区然后通过冷却区。在这种情况,气体发生器处于加热和冷却区邻接的区域处。炉气氛的碳势随温度而变化。由此,特定成分的炉气氛在冷却和加热期间将给出不同的渗碳/脱碳率。通过本发明,在加热区和冷却区的接触区处提供的气体发生器,有可能提供不同成分的气体(气体混合物)到加热区和冷却区。被引入炉中的气体与每个区的条件和需要成比例地分布。出口,开口和管的直径优选地通过模型化确定以符合各个炉的需要和炉尺寸。
本发明的气体发生器包括至少一个用于提供液体或蒸发的甲醇的甲醇进料管线。在气体发生器内(在反应器内),甲醇解离成CO和H2,并且送出气体发生器,通过一个或多个气体出口进入炉气氛之内。优选地,所有所述气体出口朝向冷却区。由此,通过解离甲醇产生的CO和H2基本上被引入到冷却区并且不进入加热区之内。然而,也可能提供朝向冷却区以及加热区的出口。有时,有益地,将全部或一些气体出口设计为高速射流喷嘴。例如,在连续炉冷却区的方向上提供高速射流喷嘴可以提高冷却而不会反面地影响主体炉的流动。
有时所希望的是冷却区不含有易燃物和包括碳的气体。在那种情况下,优选的具有仅在加热区方向上用于提供CO和H2的气体发生器的气体出口。
通常所希望的是引导烃类进入炉内,特别是只在加热区。因此,优选的是提供至少一个烃类进料管线以便供应烃类到炉中,优选地是气体或液态烃形式。优选地在1bar(绝对值)或稍微高于此的压力下供应烃类。还优选的是将气态氮加入到烃类中,其比率优选地为0到50%。
在优选实施方式中,烃类进料管线和甲醇进料管线至少部分地以管套管布置设置。至少部分烃类进料管线和甲醇进料管线形成具有内管和同心的外管的套管,其中烃类在内管流动并且甲醇在由内和外管形成的环形空间流动,或反之亦然。
甲醇进料管线终止在反应器中或至少提供有进入反应器内的出口,由此甲醇被送入气体发生器的反应器中。在优选实施方式中,烃类进料管线通过气体发生器的内部。烃类进料管线优选地不具有任何通向反应器的开口。由此,烃类不进入反应器但是直接地被引入炉中。
而且优选的提供载气进料管线,其在接近烃类进料管线的出口而终止。术语“接近”意指离开载气进料管线的载气和离开烃类进料管线的烃类相互作用,也就是说载气流影响烃类气流,例如烃类和载气混合和/或烃类被吸入载气流。
载气通过载气进料管线被提供。离开载气出口的气体作为用于烃类的载气运行,特别地用于气体或液态烃,并且在炉中分配烃类。优选的载气是氮。提供载气的优选的压力范围从2bar(绝对值)到5bar(绝对值)。载气进料管线优选地终止在喷嘴,进一步优选的是在高速射流喷嘴中。高速载气吸收烃类并且在炉气氛中均匀地分布它们。
在优选实施方式中,载气进料管线通过气体发生器的内部,但是没有连通通到气体发生器的反应器的开口。优选的设置烃类进料管线和载气进料管线至少部分地作为同心的管。特别优选的设置甲醇进料管线,烃类进料管线和载气进料管线至少部分地作为同心管。
本发明特别地可用于提供连续炉的热处理气氛,特别地是烧结炉。使用本发明将导致较低的维护费用。通常这种炉包括运输带或输送带或织网运输带。优选的提供具有支架的气体发生器或至少反应器,并且以如下方式设置气体发生器或反应器,即运输带或织网运输带在气体发生器或反应器下面移动。用于气体发生器或反应器的支撑优选地包括支撑足,其安装在运输带或织网运输带和炉壁之间的缝隙中。
取决于炉的种类和热处理的种类,炉中的温度可能太低以致不能获得进入用于解离甲醇的气体发生器和反应器之内足够的热量。如果不是在正确的温度条件裂化,甲醇可能解离成其它组分,例如CO2和H2O。因此,优选的是提供具有补充加热装置的气体发生器,特别是电加热装置。
为了控制在气体发生器中的温度条件,有益的是在气体发生器中提供热电偶。例如,如果气体发生器中的温度太低,电加热装置可用于为气体发生器增加热并且提高甲醇的解离。
而且有益的是,供应预热氮气至反应器之内。在被提供到反应器之前,氮可以被加热直至超过500℃,或者超过600℃,或者超过700℃或超过800℃的温度。加热的氮有助于提供必要的能量以便在反应器中裂化并且解离甲醇变成所希望的CO和H2。
也可以使材料,例如催化剂,进入气体发生器以便激化和/或加速甲醇解离。
在另一个优选实施方式中,气体发生器和/或反应器的外表面具有翅片,以便增加气体发生器的外表面积,并且由此增加从周围炉气氛进入气体发生器之内的热输入。
本发明特别地可用于产生包括CO,H2和N2的炉气氛,特别是在炉的冷却区和/或在加热区中。优选地,氮和甲醇的混合物被引入气体发生器,在其中甲醇解离而且产生所需要的含有CO/H2/N2的气氛。
本发明具有优于现有技术的多个优点。本发明允许提供不同成分的气体混合物到冷却区和加热区。由此,在加热区和冷却区的渗碳率和/或脱碳率可以被分别地设置和控制。本发明节省氢的费用,因为甲醇的分解将为热处理工艺提供足够的氢。因此,附加的氢可以被完全消除。而且,本发明允许可靠的碳控制,特别是在烧结炉中。本发明提高了在炉中的对流,特别是在连续炉和烧结炉中,其将提高加热和烧结时间达到10%。
附图说明
本发明以及本发明的更多细节和实施方式现在参考附图描述。
图1示意地示出了本发明的气体发生器,
图2示出了具有本发明的气体发生器的连续炉的侧视图,
图3示出了炉和气体发生器的正面图,
图4示出了本发明的气体发生器的另一个实施方式,和
图5是图1实施方式的变形。
具体实施方式
图1示意地示出了根据本发明的气体发生器。气体发生器包括箱形的反应器或反应器室1。反应器1通过甲醇进料管线2连接至甲醇供应装置(没有示出)。而且,还具备烃类进料管线3和载气进料管线4。烃类进料管线3连接至烃类供应装置(没有示出)。载气进料管线4终止于喷嘴5。优选地使用气体或液态烃,例如CH4或C3H8。
烃类进料管线3和载气进料管线4设置作为两个同心管,其中内管4被用作载气进料管线,而且在两个管之间的环形间隙3被用作烃类进料管线3。套管3,4通过气体发生器,即反应器1的内部,而没有朝向反应器1的任何开口或出口。
套管3,4相对于气体发生器和相对于反应器1的位置由球7固定。而且,球14被用作使载气进料管线4在烃类进料管线3之内位于中心位置。也可以使用其它适宜的间隔物代替球7,14。
甲醇供应装置,烃类供应装置以及载气供应装置优选地设置在炉8的外面。
反应器1还在与喷嘴5相反的方向提供有出口6,即,离开载气进料管线4的载气通过喷嘴5,并且离开反应器1的气体通过出口6基本上在相反的方向流动。
气体发生器1置于连续炉8中,其包括加热区9和冷却区10,如图2所示。被热处理的部分通过运输带或织网运输带11在从加热区9到冷却区10的方向运输通过连续炉8。在图2的实施方式中,上述部分从左到右移动通过炉8。气体发生器1位于加热区9终止和冷却区10开始的区域或部分,也就是说在加热区9和冷却区10邻接的部分或区域。气体发生器1以如下方法定向,喷嘴5朝向加热区9并且反应器1的出口6朝向冷却区10。
图3示出了气体发生器1在炉8内的布置。气体发生器1由支架12支撑。支架12包括在运输带或织网运输带11的每个侧上的足13,由此运输带或织网运输带11可以在支架12下面运转。
在一个实施方式中,温度高于800℃的预热氮气体与蒸发的甲醇的混合物被提供到甲醇进料管线2。也可以提供液体甲醇代替蒸发的甲醇或除了蒸发的甲醇之外提供液体甲醇。氮-甲醇混合物的压力优选地在0.5bar到4bar的范围。
混合物进入反应器1。气体发生器并且特别地反应器1具有高热导率的壁,由此实现从炉气氛到反应器1的良好的传热。进入反应器1的甲醇受热并且解离成CO和H2。产生的N2,CO和H2的混合物通过出口6离开气体发生器1并且在冷却区10被分配。
烃类例如CH4和/或C3H8与或者不与附加的氮通过烃类进料管线3被供应。烃类或氮和烃类混合物的压力优选地在1bar和1.5bar之间。
载气,优选地气态氮,通过内管4进料,优选地压力在2和5bar之间。通过喷嘴5氮被引入炉8,特别是加热区9中。以优选地超过10m/s,或超过20m/s,或超过30m/s,或超过35m/s的高速度离开喷嘴5的氮吸收离开环形间隙3的烃类,并且在加热区9之内均匀地分配烃类。
图4示出了本发明的另一个优选实施方式。与图1相似,反应器401被设计作为箱形的包壳,具有甲醇进料管线402和载气进料管线404。载气进料管线404通过反应器401而没有任何到反应器401内部的出口。在图4示出的实施方式中,载气进料管线404分成两个管404a,404b,两者在气体发生器401的外部终止于喷嘴405a,405b。载气进料管线404通过球407或任何其他种类间隔物定位在甲醇进料管线402中心。
反应器401在与喷嘴405a,405b相反的方向上具有第一出口406。与图1的实施方式相似,通过喷嘴405a,405b的一个离开载气进料管线404的气体和通过出口406离开反应器401的气体在基本上相反的方向流动。
反应器401具有一个或多个附加出口415,其设置在喷嘴405a,405b附近。部分气体通过附加出口415的一个在基本上平行于离开喷嘴405a,405b的载气流动的方向离开反应器401,并且然后被吸入载气流。
气体发生器401优选地以如下的方式设置在炉中,即附加出口415和喷嘴405a,405b朝向加热区并且第一出口406朝向冷却区。
优选地向气体发生器401提供汽化或液态CH3OH、氮和烃类的混合物,优选地气体或液态烃如CH4或C3H8。甲醇在气体发生器之内解离成CO和H2。产生的CO,H2,N2和烃类的混合物通过第一出口406进入炉的冷却区,并且通过附加出口415进入加热区。进入加热区内的气体混合物通过载气流优选地是气态氮被吸入,并且在加热区均匀分配。
图5示出了和图1一样的实施方式,只是反应器1的附加的气体出口515在喷嘴5附近。通过这些附加气体出口515,在反应器1中产生的气体也引导进入炉的加热区内。
Claims (14)
1.热处理炉(8),其包括加热区(9)和冷却区(10)和气体发生器(1),所述气体发生器(1)具有通过甲醇进料管线(2)连接到甲醇供应装置的甲醇入口和用于解离的甲醇的一个或多个气体出口(6),其特征在于所述气体发生器(1)安装在加热区(9)和冷却区(10)的接触区处。
2.根据权利要求1的炉,其特征在于所有的所述气体出口(6)朝向冷却区(10)。
3.根据权利要求1或2的炉,其特征在于提供用于供应烃类至炉(8)内的烃类进料管线(3)。
4.根据权利要求3的炉,其特征在于所述烃类进料管线(3)和所述甲醇进料管线(2)至少部分地以管套管布置设置。
5.根据权利要求3或4的炉,其特征在于提供载气进料管线(4),其在所述烃类进料管线(3)的出口附近终止。
6.根据权利要求3-5任何一项的炉,其特征在于所述载气进料管线(4)和/或所述烃类进料管线(3)通过所述气体发生器(1)的内部。
7.根据权利要求1-6任何一项的炉,其特征在于所述炉(8)是连续炉,特别地是烧结炉。
8.根据权利要求1-7任何一项的炉,其特征在于所述炉(8)包括运输带(11),并且其中所述气体发生器具有支架(12,13),并且其中所述运输带(11)在所述气体发生器(1)下面移动。
9.在炉(8)中提供热处理气氛的方法,所述炉包括加热区(9)和冷却区(10),其中甲醇被提供到气体发生器(1),并且其中所述甲醇在所述气体发生器(1)中解离以产生CO和H2,并且其中所述CO和H2被引导进入所述炉(8),其特征在于所述气体发生器(1)安装在加热区(9)和冷却区(10)的接触区处,并且所述气体发生器(1)通过在所述炉(8)之内的气氛被加热。
10.根据权利要求9的方法,其特征在于提供氮到所述气体发生器(1)。
11.根据权利要求9或10的方法,其特征在于提供烃类或烃类和氮的混合物到所述炉(8)。
12.根据权利要求9或11任何一项的方法,其特征在于不同成分的气体通过所述气体发生器被提供到加热区(9)和冷却区(10)。
13.根据权利要求10-12任何一项的方法,其特征在于在被提供到所述气体发生器之前,提供到所述气体发生器的所述氮被加热。
14.根据权利要求13的方法,其特征在于所述氮被加热到高于500℃的温度,优选高于600℃,进一步优选高于700℃的温度。
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