CN1043198A - 气体加热方法及蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种气体加热方法及蓄热器，以交替方式先将热载体床层升温，然后利用贮于热载体中的能量加热冷的气体。基本特征是在两个同轴并等距的栅格之间置放热载体松床层，升温时高温气体从内向外以径向流过床层，气体加热时冷气体从外向内以径向流过床层。优点是热散失少，由于热交换面大而有利于传热，气体流过的压力降小。

Description

本发明涉及一种气体加热方法及一种蓄热器，是采用交替方式首先将热载体加热升温，然后利用热载体所贮存的能量加热冷的气体。

蓄热式气体加热原理已为公知，并应用于多个工业领域。例如，高炉操作所用的热鼓风即在热风炉（考巴式热风炉）中加热至约1200℃。炉气在热风炉的燃烧室中燃烧所生热能传递给炉中填充的花格式耐火砖砌筑物，在升温阶段完毕后，将冷空气鼓过热的砖砌格，并被所蓄的热能加热，炼钢平炉和玻璃池窑所用的蓄热室也都用此方法操作。

为了能连续加热冷的气体，至少需两台蓄热器并以所述方式操作，一台在加热亦即贮存热量，同时另一台将贮存的热量释放给鼓入的冷气体，从而将气体加热。

在设计和建造蓄热器时，总是要在需热量和建造的可能性之间取其折衷。对于加热高炉操作所用鼓风而言，已知使用的热风炉是圆筒形的，直径对高度比约1∶5。所用砖砌格在升温阶段是气体从顶流至底，而在气体加热阶段是从底流至顶，在设计时必须考虑气体和砖砌格之间的传热要求，还要考虑气体流过这些耐火材料时许可的压力降。虽然大的表面积和狭窄的通道有利于传热，但流过的自由截面积只能减小到某一限度，以便气流压力降保持在许可范围。气流通道的自由截面积较大则有损于传热效果，于是对于所要的鼓风温度，为使蓄热砌格升温所需的燃烧气体温度就太高。为使热风温度达到上述的1200℃，在升温阶段的火焰温度需要约1500℃。靠高炉所放出的炉气就不能达到这样高的火焰温度，于是在常规实施中还要另外燃烧富气，例如天然气。

提高蓄热器热效率的一个已知方法是加大蓄热体的表面，在此方面已有多种建议。其中一种特别有效的方法是使用粒度大致均匀的物料所成适当床层来替代前述的砖砌格。例如可以使用由耐火材料制成的料粒。

有一种蓄热器是使用直径5-15毫米椭圆球或圆球状蓄热体所成的适当床层，它可使热交换有效表面增大到这样的程度，当与砖砌格相比时，升温阶段所用的火焰或废气的温度与气体加热阶段被加热气体之间的温差大约是10℃。

然而，象高炉操作所用热风炉中的一般砌格是不能用上述一类的床层替代的，因为后者在气流通过时压力降大到不切实际的程度，这是因为床层太高之故。

为避免压力降太大，已有的建议是将热风炉直径大幅度加大，例如达到常规结构中直径对高度比的相反值，这样可以在相同压力降条件下大大改进传热。这样做又带来其他缺点。在建造热载体上方的圆穹顶时发生困难，并证明这种热风炉在操作时有缺点。首先，在由升温阶段切换到气体加热阶段时，在体积较大的圆穹顶处导致较大气体损失;其次，圆穹顶面积很大，使热风炉的这个高温区热散失量增多;第三，不太可能制造成截面积很大但却比较薄而厚度均匀的床层，特别在操作中维护这样的床层也是困难的。

因此，本发明是针对上述问题而提供一种气体加热方法和所用的蓄热器，从而可在加热气体时避免已有方法和设备中的缺点，特别因采用热载体的厚度平均床层而可加快传热和减少热损失，并且在气体流过时压力降较小。

本发明解决此问题的方法是在至少两个同轴和等距栅格之间设置所述热载体的松的床层，并且在蓄热器升温阶段使热气体从内向外流动而通过这个床层，在气体加热阶段使冷的气体从外向内流动而通过。

本发明方法与已知的蓄热法产生热气体的方法相比有多项优点，包括热效应方面和设备建造方面的优点。由于流向蓄热器外壁的热流小得多而使热散失减少，这是因为高温区域位于设备中心，而外壁只与冷的气体接触，由此而使热效率提高，这是一方面优点;另一方面，蓄热器的建造也有明显优点，因为与相同能力的已知设备即相同气体处理能力和气体加热温度的已知设备相比，由于设备尺寸较小并且所受热作用较小，所以所需钢材和耐火材料内衬都较少。

令人惊异的是，本发明方法可使气体升温至极均匀的温度，于是在许多应用场合中不需要相应的控温措施。例如，在制取高炉用的热风时，在热风温度1200℃和切换到气体升温阶段30分钟后，废气温度的变化值可达到20°-40℃。

按本发明，在热载体与气体之间所需的温差较小。这一点适用于热载体本身的升温，也适用于被升温气体例如空气的最后温度。在该热载体升温时，燃烧气体的火焰温度只需稍高于该冷气体要升到的温度。例如，在为高炉的鼓风气体加热时，可以使用来自高炉的炉气或是稍加富化的炉气。

当用本发明方法将鼓风气体预热至1150℃时，在蓄热器中使用发热值约750千卡/标准立方米的炉气将热载体加热，其火焰温度达到约1200℃。实际上，当应用前述的操作数据加热其他气体如氮、氩、富氧空气、氧以及燃烧气体时，可以达到同上的升温温度。

本发明的蓄热器中，热载体是交替升温和降温，即先将之升温，然后利用热载体中贮存的能量来加热冷的气体，其特征在于该蓄热器具有一个关于其中心轴为对称形的热气体收集室，其构成是包括一个内栅格和与该内栅格成等距的至少一个外栅格，设置于此外栅格和蓄热器外壁之间的一个气体收集室，并且气体是以径向流过设置于这些栅格之间的热载体。

本发明的蓄热器同已知的可比设备相比，有若干明显优点。所用的热载体与鼓风气体加热器的填装物相似，是由大致平均的的颗粒的松填充体所组成。由于这些热载体的床层是设置于等距栅格之间，沿气体流动方向的层厚度是均匀的。此外，在本发明的蓄热器中热载体不因气流影响而移动，于是没有气体溃决的危险，例如由于流化点在局部超过界。

在本发明的蓄热器中，在热载体之间以及在热气体室和气体收集室中的自由空间都较小，所以从升温阶段切换到气体加热阶段时，气体损失量很小。

本发明的蓄热器在操作过程中可以更换热载体。在床层的顶部及底部设置适当的连通件或法兰盘，即可以从一边补填装热载体，从另一边取出热载体。

通常在该蓄热器的内和外栅格之间只有置放一种热载体，方可得到均一的床层。

该蓄热器通常是在内和外栅格之间置放热载体而形成只有一种热载体的一个均匀床层。但本发明范围还包括使用多于两个同轴栅格，也就是形成多个同轴环形室。在两个相邻栅格之间最好是使用同一种热载体。但是，也可以在每个环形室中各自使用不同的床层。例如，在蓄热器内部高温的两个栅格板之间可以使用耐热陶瓷球（例如使用钢玉），而在靠外边的较低温区可使用较廉价的热载体（例如使用富铝红柱石和/或熟耐火土）。整个床层可以分为两层或多层，这样不仅符合经济原则，也符合操作要求，特别是受热条件要求。按本发明，热载体的材质、尺寸和形状都可以变化。

本发明的蓄热器的栅格可以用相同材料制成，但最好用不同材料。例如，高温的内栅格可由耐火材料例如耐火砖制成，并带有适当的通气道，较低温的外部栅格可用金属制成，例如用钢、不起皮钢或铸铁制成。若在内和外栅格之间使用了其他栅格，其物质也必须按其受热情况来选择。主要使用陶瓷或金属材料。

本发明的一项最重要特征是建造具均匀厚度的热载体床层，并且使气流沿径向通过这个床层。如果将热载体床层分成为数层，也保留这项特征。

用作为热载体的适宜材料已证实是不同品质等级的陶瓷材料，例如以刚玉、富铝红柱石、熟耐从土、氧化镁、氧化铬、氧化锆、碳化硅以及其任意混合物为基础的陶瓷材料，还包括金属材料。当然，选择热载体材料时必须根据它们的受热情况来选择。本发明所用热载体的形状基本上可以任意选用，但某些形状在经济和便于生产方面是较为优越的，例如采用造粒法或压团法，特别适用于陶瓷材料。从几何形状来讲，基本上采用椭圆球形或圆球形。但是，任何破开或破碎的结构也是可用的。

本发明的方法和蓄热器特别适用于铁矿石熔炼还原、电炉熔炼以及高炉。

下面参照附图和一实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明一种蓄热炉的横截面示意图。

此蓄热器包括一个大致为球形的钢制外壳1。但此蓄热器的外形并非十分重要，因此可以任意选择，例如可用直立圆筒形，球形以及双截锥形（一个叠在另一个上面，在其间有或没有一段圆筒形中间段），从制造工程来讲都是可以实施的。

钢壳体1之内包括圆筒形外栅格2，上面有圆形和/或槽缝形的开口。在栅格2和钢制外壳体1之间是环形的供冷气体用的气体收集室3。

内栅格4是由耐火砖筑成，带有适当的气体通道。栅格2和4的同轴式排布可保证它们之间的空间5是沿整个周边在两个栅格之间都是等距离。圆形截面的空间5承载热载体6，例如可用陶瓷粒。

在此蓄热器的中心部位是圆形截面的高温气体室7。在蓄热器处于升温阶段时，在高温气体室7的下端有炉8中产生的高温废气流入。可以由容器盖9处进出炉8。

高温的燃烧气体从高温气体室7流经栅格4并通过热载体床层6而进入室5，进而流经栅格2而进入气体收集室3。在该气体流经热载体床层6时就被冷却，在到达气体收集室3之后达到接近常温。然后从连接口10离开气体收集室，也就离开了蓄热器。

在气体升温阶段，经加压的气体流经连接口11，进入气体收集室3，进而通过栅格2和热载体床层6而进入室5，再通过内栅格4而进入高温气体室7。在气体流经高温的热载体床层6时而被加热，然后通过连接口12而离开蓄热器。

在该蓄热器上还可以看到开口13和14，它们可通过配用法兰盘来关闭。室5中的热载体6可通过连接口14而取出，同时可通过开口13装入热载体，这些可在操作中和在检修时进行。因此可以取代以间断或连续方式替换室5中的热载体6的操作。

将本方法和所述蓄热器应用于不同条件的工业用途是属于本发明范围。如前所述，栅格和热载体所用材质可按所要求的温度来调配。蓄热器的形状也可按其用途来改变，但以径向流动流过热载体床层的原则是必须保持的。

Claims (11)

1、一种用蓄热器加热气体的方法，所述方法是以交替方式先将热载体升温，然后利用热载体中贮存的能量来加热冷的气体，其特征在于在至少两个同轴并且等距离配置的栅格之间装入热载体而成为松的床层，还在于在该蓄热器的升温阶段使该高温气体以从内向外方式流过该床层，并且在气体加热阶段使冷的气体以与上述相反的方向即从外向内方式流过该床层。

2、一种用于加热气体的蓄热器，其加热方法是以交替方式先将热载体升温，然后利用热载体中贮存的能量来加热冷的气体，其特征在于所述蓄热器中具有以关于其对称轴为中心配置的一个高温气体收集室（7）并且是由一层第一内栅格（4）所形成，以及至少一层外栅格（2）并且是以与该内栅格（4）成等距离来配置，一个气体收集室（3）并且是位于所述外栅格（2）和蓄热器外壁（1）之间，并且气体是以径向流过置于各栅格之间的热载体（6）。

3、按权利要求1或2的蓄热器，其特征在于所述栅格（2）和（4）是由不相同的材料制成。

4、按权利要求1-3中一项或多项的蓄热器，其特征在于高温一方的内栅格（4）是由耐火材料制成，所述耐火材料包括带有气体通道的耐火砖。

5、按权利要求1-4中一项或多项的蓄热器，其特征在于位于低温一方的外栅格（2）是由金属制成，所述金属包括钢材。

6、按权利要求1-5中一项或多项的蓄热器，其特征在于配置有其他的栅格，所述栅格根据受热程度使用陶瓷材料或金属材料制成。

7、按权利要求1-6中一项或多项的蓄热器，其特征在于所述热载体（6）的床层可在该蓄热器操作或停工阶段的任何时间进行部分或全部更换。

8、按权利要求1-7中一项或多项的蓄热器，其特征在于所述的热载体（6）可以是任何形状的。

9、按权利要求1-8中一项或多项的蓄热器，其特征在于所述热载体（6）是由椭圆球形或圆球形、压团、烧结的陶瓷材料所组成。

10、按权利要求1-9中一项或多项的蓄热器，其特征在于所使用的热载体（6）是由不同材料所制成。

11、按权利要求1蓄热器，其特征在于其中的气体收集室（3）是环形的。

Images