CN104302998A - 碳烘焙热量回收烧火系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于碳烘焙炉的热量回收装置和方法，其中，来自冷却部段的废热的至少一部分被再循环通过炉，这不但减少所需天然气的数量，而且增加炉中的氧含量，从而减少不期望的沥青堆积。

Description

碳烘焙热量回收烧火系统
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2011年10月26日的美国临时申请序列号13/282,073的优先权权益。本文所讨论的这个和所有其它外部材料均全文以引用方式并入。当并入的参考文献中术语的定义或用法与本文提供的该术语的定义不一致或相矛盾时，采用本文所提供的术语的定义，而不采用该术语在参考文献中的定义。
技术领域
技术领域是用于在炉中、特别是在用于碳烘焙操作的环形炉中热量回收的装置和方法。
背景技术
碳烘焙炉(特别是环形炉)常常在用于铝熔炼过程的碳阳极的制造中使用。由于高温和较长的烘焙时间，阳极烘焙需要显著量的能量，并且已成为显著的生产成本贡献因素。此外，由于炉中往往相对低的氧含量，沥青不完全燃烧并且趋于导致着火、操作条件的变化以及对下游洗涤器系统的维护。
许多用于碳烘焙的环形炉及其操作方法是本领域已知的，并且在例如WO 02/099350、美国专利号4,215,982、4,284,404和6,339,729以及WO9855426A1中描述了示例性的装置和方法。本文所讨论的这些和所有其它外部材料均全文以引用方式并入。当并入的参考文献中术语的定义或用法与本文提供的该术语的定义不一致或相矛盾时，采用本文所提供的术语的定义，而不采用该术语在参考文献中的定义。
虽然这些已知的炉中大部分对于特定操作来说是令人满意的，但它们往往将其使用限制于在相对小的尺寸变化内的材料烘焙。为了克服此类缺点，GB 948,038教导了一种具有耐火地板和竖直金属烟道的烘焙炉，以便适合在具有增加的热效率、增加的单元容量、以及降低的炉建造和运营成本的条件下烘焙尺寸和形状大不相同的含碳主体。除了别的构型之外，'038参考文献的炉被构造成允许排气在离开炉之后进料回到燃烧源。然而，这种反馈通常不适合环形炉。
在又一种提高能量效率的尝试中，EP 0158387教导了在第一预热级通过使用热燃烧的挥发性物质而加热碳材料，该热燃烧的挥发性物质通过从第一级撤出释放的挥发性物质、在第一级外部燃烧挥发性物质并且通过将燃烧后的挥发性物质再循环到第一级而获得。这样的构型有利地改进了预热。然而，仍需要相当多的能量以用于炉的烧火部段。
因此，尽管本领域已知许多用于碳烘焙炉的构型和方法，但仍然需要能量效率更高的炉。
发明内容
本发明的主题涉及用于通过从来自冷却区的受热气体回收热而减少炉中(并且最典型地环形炉中)的热损失和能量消耗的各种装置和方法。最典型地，热量回收通过将来自冷却区的受热的烟气中的至少一部分最优选地与进入烧火区的燃料流一起再循环回烧火区来进行。这样的构型的附加有益效果还会减少由于炉中增加的氧含量导致的沥青形成。
在本发明的主题的一个方面，一种用于在炉中使用的热量回收系统将包括多个壁元件，每个壁元件具有内部烟道槽，其中多个壁元件流体联接到彼此使得内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区。构思到炉还将包括烧火单元，该烧火单元联接到一个或多个壁元件并且提供燃料(优选天然气)与来自冷却区的排气的至少一部分的混合物，从而产生混合的燃料流。在大多数情况下，炉被构造为环形炉。
最优选地，排放管道被提供并接收来自多个壁元件的排气，并且烧火单元接收来自排放管道的排气的一部分。在典型的实施例中，烧火单元接收来自冷却区的两个或更多个壁元件的排气。备选地，烧火单元也可接收来自冷却区的两个或更多个壁元件的排气。不论特定构型如何，通常优选的是，排气具有在1000℃和1150℃之间并且更优选地在1050℃和1100℃之间的温度。
因此，在本发明的主题的另一方面，一种用于减少具有多个壁元件的炉的能量消耗的方法包括：将烧火单元联接到至少一个壁元件的步骤；以及经由烧火单元以与没有排气的情况所使用的燃料量相比而有效减少燃料量的数量来提供由燃料与来自冷却区的排气的至少一部分形成的混合的燃料流的另一步骤，每个壁元件具有内部烟道槽，其中，多个壁元件流体联接到彼此使得内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区。
例如，可以设想，排气的一部分从接收来自多于一个壁元件的排气的排放管道进给到烧火单元，或者排气的一部分从至少两个壁元件进给到烧火单元。更典型地，排气具有在1000℃和1150℃之间且更优选地在1050℃和1100℃之间的温度，并且燃料为天然气。
从另一个角度来看，本发明人还设想了一种用于减少如上所述炉的能量消耗的方法，该方法包括从冷却区回收热量并将所回收的热量再循环至烧火区的步骤。在这样的方法的尤其优选的方面，通过将来自冷却区的排气的至少一部分再循环至烧火区来回收热量。备选地，热量也可经由热量交换器来回收，该热量交换器使用来自冷却区的排气的热量，从而加热进给到烧火区的燃料流。
本发明的主题的各种目的、特征、方面和优点将从优选实施例的以下详细描述以及附图变得更加明显，在附图中，类似的附图标记表示类似的部件。
附图说明
现有技术的图1是用于烘焙碳阳极的示例性环形炉的示意图。
现有技术的图2是图1的示例性环形炉的局部立体剖视图。
现有技术的图3A是环形炉的示意图。
图3B是根据本发明的主题的使用热量回收的环形炉的示意图。
具体实施方式
本发明人目前已发现，碳烘焙环形炉可配有热量回收烧火系统，该系统通过使用来自烘焙的碳材料的冷却的本来损失到大气环境的热量来显著减少燃料(例如，天然气)消耗。此外，使用热量回收烧火系统也增加了炉中的氧气水平，这导致沥青的更充分燃烧，从而减少下游洗涤器系统的维护成本并且有助于避免着火。在尤其优选的方面，来自冷却部段的炉废气被回收并再循环至烧火部段，以辅助和/或代替将原天然气倾卸至炉烟道内的倾卸式燃烧器(dump burner)。因此，在至少一些优选方面，来自冷却部段的预热的废气在进给到炉烟道之前与天然气混合。用于碳烘焙炉的热量回收烧火系统将把天然气消耗量减少25%至40%，将更安全，并且将减少下游洗涤器系统的维护成本。
在本发明的主题的尤其优选的方面，一种用于在炉中使用的热量回收系统包括多个导管，这些导管允许将来自冷却区和/或排气收集导管的排气的至少一部分转移回到烧火区。当然，应当理解，在本文中所引用的区不是位置上固定的区，而是操作为预热区、烧火区和冷却区的(通常相同地构造的)区。此外，应当注意，预热区、烧火区和冷却区中的每一个将具有多个部段。因此，在最典型的实施例中，每个区和/或部段将包括多个壁元件，每个壁元件具有内部烟道槽，其中，多个壁元件流体联接到彼此使得内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区。烧火单元然后操作性地联接到(单个部段或区的)至少一个壁元件并且被构造成提供燃料与来自冷却区的排气的至少一部分的混合物，从而产生到烧火区的混合的燃料流。
现有技术的图1示意性地示出了示例性的环形炉100，其具有两个平行的部段系列(例如，1-16)，其由交叉部流体联接以形成环形炉(应当注意，预热区、烧火区和冷却区围绕炉旋转)。当烧火区前进时，阳极被移除并添加到烧火区之前的部段中，以允许炉的连续操作运行。在现有技术图1的烘焙炉(100)示例中，每次前进存在两个在逆时针方向上移动的烧火区(120)。前进每次为过程围绕炉递增一个部段。烧火框架(122，仅标出一个)、预热区(130)、冷却区(110)、排放歧管(132)和冷却歧管(112)围绕具有烧火区的环形炉前进。炉的静止部件为交叉部(140，仅标出一个)和公共收集侧排气主管(150，仅标出一个)以及部段、烟道和壁。每个系列分别具有预热区130和130'、烧火区120和120'、一个或多个烧火框架122(仅标出一个)、以及冷却区130和130'。交叉部140连接各系列，并且来自排气歧管132和132'的排气被输送至公共排气收集导管150。如本文所用，并且除非上下文指出不是这样，术语“联接到”旨在包括直接联接(其中联接到彼此的两个元件彼此接触)和间接联接(其中至少一个附加元件位于这两个元件之间)两者。因此，术语“联接到”和“与...联接”同义地使用。
现有技术的图2提供了炉中的各部段的更详细的示意图。这里，数字1描绘了位于由两个相邻的壁元件阳极(浅灰色)和填料焦炭(深灰色)形成的凹坑内。壁元件2包括导管，燃烧气体在导管内经由穿过壁元件的端壁4中的开口的流体联接从一区移动至另一区。热气体的循环用数字5示意性地指示。如从该图容易看出的，多个壁元件2形成在区内的单个部段3的多个凹坑，并且帮助将受热的气体从一部段传输至另一部段并从一区传输至另一区。各部段和烟道通常包含在衬有热绝缘物7的混凝土盆内。进气框架(draft frame)、烧火单元和排放歧管的移动通常手动进行。火力控制以半自动或全自动方式使用计算机进行以控制过程(未示出)。
现有技术的图3A提供用以对比使用根据本发明的主题的图3B的热量回收烧火系统的已知的环形炉烧火。这里，预热区310A包括三个不同的部段，它们流体地且传热地联接到彼此。这些部段的温度(从左到右)通常分别为200-600℃、600-850℃和850-1050℃，而烧火区320A在每个区中包括具有约1050-1200℃的温度的三个部段。烧火区下游是冷却区330A，其包括分别具有1050-1200℃、1075-1150℃和800-900℃的减小的温度的三个部段。烧火单元322A的气体框架将进入壁元件的天然气流和热量提供给过程，而进气框架312A测量负空气流量。排放歧管360A和冷却歧管370A示意性地示出在各区的端部处。(烧火区可被构造成包含在3A和3B中的多个部段)
类似地，图3B的环形炉具有预热区310B，其具有流体地且传热地联接到彼此的三个不同的部段。这些部段的温度(从左到右)通常分别为200-600℃、600-850℃和850-1050℃，而烧火区320B在每个区中包括具有约1050-1200℃的温度的三个部段。烧火区下游是冷却区330B，其包括分别具有1050-1200℃、1075-1150℃和800-900℃的减小的温度的三个部段。烧火单元322B的气体框架将进入壁元件的天然气流和热量提供给过程，而进气框架312B提供进气口。排放歧管360B和冷却歧管370B示意性地示出在各区的端部处。预热区、烧火区和冷却区中的部段的数目可根据炉的设计和操作而变化。
然而，图3B的环形炉也包括热量回收烧火单元380B，其包括导管382B和至少一个其它导管384B，导管382B流体联接到冷却区的至少一个部段，导管384B将来自冷却区的至少一个部段的排气的至少一部分提供回烧火区的至少一个部段。此外，通常优选的是，热量回收烧火单元380B也包括燃料端口386B，以便输送燃料和使燃料与排气混合。
更典型地，导管382B流体联接到冷却区的一部段，在该部段处，排气具有在1150-1200℃、1100-1150℃、1050-1100℃、1000-1050℃、950-1000℃、900-950℃和/或800-900℃之间的温度。温度将随区内部段的增加或减少而变化。导管382B通常被构造为使用横跨部段宽度延伸的歧管的多流体导管。另外，可以设想，可实现多个导管，并且这些导管吸入来自冷却区内的不同部段的排气。备选地或附加地，导管382B也可流体联接到排放管道，该排放管道接收来自部段和/或区中的多于一个壁元件的排气。因此，通过选择导管382B的位置，本来会损失的来自冷却区的热量被回收并再循环至烧火区。
当然，应当理解，来自冷却部段的如此回收的排气可直接与燃料混合以形成燃料气混合物，然后将其引入烧火区。备选地，排气也可穿过热量交换器，其将空气或其它含氧气体混合物加热至适合引入烧火区的温度。最优选地但非必要地，空气或其它含氧气体混合物与燃料混合以用于燃烧。虽然本领域已知许多燃料，但通常优选的是，燃料为天然气。
在本发明的主题的另一些可设想的方面，优选的是，热量回收烧火单元独立地但结合常规的烧火单元操作，并且因此补充由常规烧火单元提供的热量。备选地，热量回收烧火单元可被构造为代替常规烧火单元使用的组合式烧火单元。这样的热量回收烧火单元通常将包括用于接收来自(多个)冷却部段的排气的燃料接收端口和歧管和/或用于分布燃料和排气的混合物的歧管。如前面已指出的，燃料混合物接着被引入烧火区的一个或多个部段中。
因此，可以设想到一种用于减少炉的能量消耗的方法，其中炉具有多个带有内部烟道槽的壁元件，其中，壁元件流体联接到彼此使得内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区。在这样的方法中，通常优选的是，热量回收烧火单元联接到至少一个壁元件，并且由燃料和来自冷却区的排气的至少一部分形成的混合的燃料流被以与没有排气情况下所使用的燃料量相比而有效减少燃料量的数量来提供到烧火区的至少一个部段。在尤其优选的方法中，并且根据由本申请人进行的各种计算，应当注意，相比没有热量回收烧火单元的系统，使用所设想的系统和方法能以少5-10%之间、更典型地10-25%之间、且最典型地25-40%之间的燃料实现相同的操作参数。因此，应当理解，从冷却区回收热量和将所回收的热量再循环至烧火区可导致显著的燃料节省。
本领域的技术人员应当理解，在不脱离本文的发明构思的情况下，除已描述那些之外的许多修改是可能的。因此，本发明的主题除了所附权利要求的范围之外不受限制。此外，在解释说明书和权利要求两者时，所有术语都应以与上下文一致的尽可能广义的方式来解释。特别地，术语“包括”和“包含”应解释为以非排他方式提及元件、部件或步骤，这表明所提及的元件、部件或步骤可以与未明确提及的其它元件、部件或步骤一起提供或利用或结合。当说明书和权利要求书提及选自由A、B、C .... 和N组成的组的某物中的至少一个时，该表述应解释为仅需要来自该组的一个元件，而不是A加上N或B加上N等。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于在环形炉中使用的热量回收系统，包括：
环形炉，其包括多个壁元件，每个所述壁元件具有内部烟道槽，其中，所述多个壁元件流体联接到彼此以使得所述内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区；以及
烧火单元，其操作性地联接到至少一个壁元件并且被构造成提供燃料与来自所述冷却区的排气的至少一部分的混合物，从而产生混合的燃料流并且增加所述炉中的氧含量。
2.根据权利要求1所述的热量回收系统，还包括构造成接收来自多于一个壁元件的所述排气的排放管道，其中，所述烧火单元被构造成接收来自所述排放管道的所述排气的所述部分。
3.根据权利要求2所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成接收来自所述冷却区的至少两个壁元件的所述排气的所述部分。
4.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成接收来自所述冷却区的至少两个壁元件的所述排气的所述部分。
5.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成接收在1000℃和1150℃之间的温度下的所述排气的所述部分。
6.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成使用天然气作为所述燃料。
7.删除。
8.一种减少环形炉的能量消耗的方法，所述炉具有多个壁元件，每个所述壁元件具有内部烟道槽，其中，所述多个壁元件流体联接到彼此以使得所述内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区，所述方法包括：
将烧火单元操作性地联接到所述环形炉的至少一个壁元件；以及
经由所述烧火单元以与没有所述排气情况下所使用的燃料量相比而有效减少燃料量并有效增加所述炉中氧含量的数量来提供由燃料与来自所述冷却区的排气的至少一部分形成的混合的燃料流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述排气的所述部分从接收来自多于一个壁元件的排气的排放管道进给到所述烧火单元。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述排气的所述部分从至少两个壁元件进给到所述烧火单元。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述排气的所述部分具有在1000℃和1150℃之间的温度。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述烧火单元的所述燃料为天然气。
14.删除。
15.一种用于减少具有多个壁元件的碳烘焙环形炉的能量消耗的方法，每个所述壁元件具有内部烟道槽，其中，所述多个壁元件流体联接到彼此以使得所述内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区，所述方法包括从所述冷却区回收热量的步骤以及将所回收的热量再循环至所述烧火区的步骤以增加所述炉中的氧含量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述热量通过将来自所述冷却区的排气的至少一部分再循环至所述烧火区来回收。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述排气的所述部分在进给到所述烧火区之前与燃料结合。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述热量经由热量交换器回收，所述热量交换器使用来自所述冷却区的排气的热量来加热进给到所述烧火区内的燃料流。

Claims (17)

1.一种用于在炉中使用的热量回收系统，包括：
多个壁元件，每个所述壁元件具有内部烟道槽，其中，所述多个壁元件流体联接到彼此以使得所述内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区；以及
烧火单元，其操作性地联接到至少一个壁元件并且被构造成提供燃料与来自所述冷却区的排气的至少一部分的混合物，从而产生混合的燃料流。
2.根据权利要求1所述的热量回收系统，还包括构造成接收来自多于一个壁元件的所述排气的排放管道，其中，所述烧火单元被构造成接收来自所述排放管道的所述排气的所述部分。
3.根据权利要求2所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成接收来自所述冷却区的至少两个壁元件的所述排气的所述部分。
4.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成接收来自所述冷却区的至少两个壁元件的所述排气的所述部分。
5.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成接收在1000℃和1150℃之间的温度下的所述排气的所述部分。
6.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述烧火单元还被构造成使用天然气作为所述燃料。
7.根据权利要求1所述的热量回收系统，其中，所述炉被构造为环形炉。
8.一种减少炉的能量消耗的方法，所述炉具有多个壁元件，每个所述壁元件具有内部烟道槽，其中，所述多个壁元件流体联接到彼此以使得所述内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区，所述方法包括：
将烧火单元操作性地联接到至少一个壁元件；以及
经由所述烧火单元以与没有所述排气情况下所使用的燃料量相比而有效减少燃料量的数量来提供由燃料与来自所述冷却区的排气的至少一部分形成的混合的燃料流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述排气的所述部分从接收来自多于一个壁元件的排气的排放管道进给到所述烧火单元。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述排气的所述部分从至少两个壁元件进给到所述烧火单元。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述排气的所述部分具有在1000℃和1150℃之间的温度。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述烧火单元的所述燃料为天然气。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述炉为环形炉。
15.一种用于减少具有多个壁元件的炉的能量消耗的方法，每个所述壁元件具有内部烟道槽，其中，所述多个壁元件流体联接到彼此以使得所述内部烟道槽形成连续的流动路径以依次形成预热区、烧火区和冷却区，所述方法包括从所述冷却区回收热量并将所回收的热量再循环至所述烧火区的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述热量通过将来自所述冷却区的排气的至少一部分再循环至所述烧火区来回收。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述排气的所述部分在进给到所述烧火区之前与燃料结合。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述热量经由热量交换器回收，所述热量交换器使用来自所述冷却区的排气的热量来加热进给到所述烧火区内的燃料流。
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